同濟大學(xué)運用MP材料整體3D打印11x11x6M臨港新城結(jié)構(gòu)

據(jù)南極熊了解，近日，同濟大學(xué)協(xié)同“創(chuàng)盟國際&一造科技”，首次運用MP材料，在中國上海臨港新城實現(xiàn)了整體3D打印的結(jié)構(gòu)性能化展亭——“云亭”，并順利落成?！霸仆ぁ辈捎么蟪叨瓤臻g打印的方式進行建造，將形體抽象為空間網(wǎng)格，再進行網(wǎng)格打印建造，其在11Mx11Mx6M大尺度打印效率和結(jié)構(gòu)性能集成方面具有獨特的優(yōu)勢，是非常具有潛力的建筑三維打印技術(shù)方案。

項目概況
項目名稱：云亭
數(shù)字設(shè)計與建造團隊：同濟大學(xué)，創(chuàng)盟國際+一造科技
地點：上海市浦東新區(qū)臨港新城港城廣場
裝置尺寸：11Mx11Mx6M
設(shè)計時間：2017年7月-2017年8月
建造時間：2017年9月-2017年10月
設(shè)計團隊
主持設(shè)計師：袁烽
概念設(shè)計：袁烽、韓力、高偉哲
結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計：陳哲文、柴華、王錦、沈煒
數(shù)字建造：張立名、和四忠、代世龍、陳哲文
攝影： 林邊

“云亭”項目旨在將建筑結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計技術(shù)與機器人建造結(jié)合，并用高度集成的方式完成并展示出來?！霸仆ぁ钡脑O(shè)計，運用基于結(jié)構(gòu)性能分析的拓撲優(yōu)化算法，通過結(jié)構(gòu)性能化技術(shù)生成建筑形式，然后將應(yīng)力分布轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)格系統(tǒng)，從而得到變密度的網(wǎng)格形式。同時，在設(shè)計的過程中充分考慮了如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)單元的機器人空間打印。


整個網(wǎng)絡(luò)原型單元系統(tǒng)包含疏密不同的五種單元路徑，密集的單元主要用以承受自重荷載，稀疏的單元主要起到覆蓋作用，使得看似復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在機器人空間打印技術(shù)的支持下?lián)碛凶銐虻目尚行?。基于?shù)字設(shè)計與機器人建造技術(shù)的支持，“云亭”展現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性能化分析技術(shù)與建筑形式美學(xué)的充分融合。

“云亭”模型渲染俯瞰圖

“云亭”模型渲染透視圖

“云亭”模型渲染透視圖

“云亭”初建成

由機器人空間打印工藝制作成的大型展品的建造重點主要在對抽象建筑造型實現(xiàn)結(jié)構(gòu)合理的“物質(zhì)化”建造，即通過特定的編程語言生成最有效的空間網(wǎng)格來實現(xiàn)連續(xù)建造，力求做到整體結(jié)構(gòu)最輕、用材最省，大幅度提升了建造效率且節(jié)省了可觀的材料開支。今年7月，同濟大學(xué)完成14米跨度MP三維打印步行橋，使用層積式三維打印的技術(shù)方案。層積式三維打印方案在整體強度上有優(yōu)勢，但材料消耗量相對較大，自重較大的劣勢也同時存在。因而此次同濟大學(xué)對“云亭”的打印，是在進一步研究中實現(xiàn)了更加結(jié)構(gòu)高效合節(jié)材的目標(biāo)。

樹影“云亭”

亭子的幾何原型選定為長度11米、寬度11米、高度約6.0米的復(fù)雜曲面，由于該曲面部分區(qū)域的曲率過大且前端懸挑過長，傳統(tǒng)的均質(zhì)化空間打印法難以打印出這一形態(tài)，另外，如此大尺度的構(gòu)件在設(shè)計階段還會面臨許多結(jié)構(gòu)問題。本設(shè)計團隊不滿足于空間打印的這個現(xiàn)狀，希望尋找一種新的機器人空間打印工藝，以實現(xiàn)建筑形態(tài)與結(jié)構(gòu)性能完美融合的一體化設(shè)計。本設(shè)計對亭子的三維曲面進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化，從而在設(shè)計初期使建筑結(jié)構(gòu)性能得到了充分的考量。

“云亭”內(nèi)景體驗

綜合考慮機器人作業(yè)空間尺寸及適宜的手工操作范圍，亭子被劃分為35塊，每塊的長度范圍在5-7m，高度范圍在1.5-2.5m，并由KUKA機器人
進行空間打印加工而成。當(dāng)遇到個別曲面曲率過大時，該塊還會被細分為更小的尺寸以滿足機器人空間打印的作業(yè)要求。

由于空間打印對擠出頭的出料速度有嚴格控制，這使得空間打印速度都遠遠低于層積打印。本案加工時長為500小時，兩套機器人裝備耗時共計21天。機器人根據(jù)導(dǎo)入的編程語言從左至右進行打印，完成第一排水平方向的打印任務(wù)后，再垂直向上移動至下一排的起點坐標(biāo)，隨后依次從右至左完成第二排水平方向的打印任務(wù)，并按照此邏輯完成全部體塊的打印任務(wù)。

“云亭”建成實景

云亭建成實景

所有的構(gòu)件在工廠預(yù)制完成并進行編號、分割打磨，然后分批運送至現(xiàn)場準備安裝。整個安裝搭建過程耗時不到一天，從而實現(xiàn)了快捷、綠色、無污染的安裝環(huán)境。主要的搭建過程包括如下步驟：
1)    定位亭子的4個支座坐標(biāo)，并進行預(yù)埋處理；
2)    依靠場地中準備的腳手架與鋼板，固定著地的4塊構(gòu)件；
3)    以已固定的4塊構(gòu)件為出發(fā)點，依次開始拼裝，并利用扎帶固定相鄰兩塊構(gòu)件；
4)    完成所有構(gòu)件拼裝后，拆除現(xiàn)場腳手架


在未來，這種機器人空間打印技術(shù)將在建筑復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)、異形模板、形體快速找形等方面擁有廣闊應(yīng)用前景。下一步研發(fā)團隊將在材料和工藝的深化和完善以及配套工藝的研發(fā)方面進行進一步的探索，將建筑大尺度空間打印技術(shù)推向更為可靠和廣泛的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

2017普利茲克獎獲獎?wù)?RCR合伙人Carme Pigem

RPI院長Evan Douglis在云亭

RPI院長Evan Douglis在云亭

同濟大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院張永和教授閱讀云亭

2017上海城市空間藝術(shù)季主策展人/ 同濟大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院副院長李翔寧教授介紹云亭

來源：同濟大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院
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