大型增材制造海帕殼體結構的參數(shù)化設計和模塊化建造

來源：Architectural Intelligence

盡管增材制造技術近年來取得了很多進步，但由于大型打印設備的高成本，建筑尺度的3D打印結構仍然存在挑戰(zhàn)。為了應對這一挑戰(zhàn)，模塊化結構通過更小的預制組件和現(xiàn)場安裝顯示了其獨特優(yōu)勢。本文介紹了華南理工大學建筑設計研究院蘇朝浩老師團隊采用模塊化3D打印技術所設計的海帕殼體結構藝術裝置。在參數(shù)化設計和結構分析的指導下，團隊對海帕殼體進行了優(yōu)化，形成了一個具有鏤空蝶形圖案的形式。為縮短成品完成時間，使用了數(shù)臺商用3D打印機完成模塊化單元的預制。在廣州國際燈光節(jié)我們現(xiàn)場組裝了這個3D打印的海帕殼體，它夾層構造的燈光設計為夜間效果的展示提供了可能。同時這件作品也在英國經(jīng)歷了拆卸和重建，展示了模塊化設計的適應性和靈活性。由此，3D打印結構藝術不僅為建成環(huán)境提供了獨特美學價值，還通過簡化施工流程展示了以低預算建造大型薄殼結構的可能性。

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創(chuàng)新點

傳統(tǒng)的現(xiàn)澆施工由于對建筑環(huán)境的危害和資源消耗高，在實踐中已成為一種不利的做法。為了實現(xiàn)更高的建筑效率和更低的碳排放，對使用模塊化和預制的新型施工方法的需求一直很高。增材制造（即3D打印）的引入，為制造非標準化結構件提供了一條少人工、省材料的新途徑。

盡管增材制造技術近年來取得了許多進步，但由于大型打印設備的高成本，建筑尺度的3D打印結構仍然存在挑戰(zhàn)。為了應對這一挑戰(zhàn)，模塊化結構通過更小的預制組件和現(xiàn)場安裝顯示了其獨特優(yōu)勢。本文介紹了采用模塊化3D打印的海帕殼體結構藝術研究。在參數(shù)化設計和結構力學分析的指導下，我們對海帕殼體進行了優(yōu)化，形成了一個具有鏤空蝶形圖案的形式。為縮短成品完成時間，使用了數(shù)臺商用3D打印機完成模塊化單元的預制。在廣州國際燈光節(jié)我們現(xiàn)場組裝了這個3D打印的海帕殼體，它夾層構造的燈光設計為夜間效果的展示提供了可能。同時這件作品也在英國經(jīng)歷了拆卸和重建，展示了模塊化設計的適應性和靈活性。由此，3D打印結構藝術不僅為建成環(huán)境提供了獨特美學價值，還通過簡化施工流程展示了以低預算建造大型薄殼結構的可能性。

參數(shù)化設計和增材制造等新興技術加速了建筑行業(yè)內(nèi)正在進行的數(shù)字化范式轉變。與桌面級3D打印方法相比，大尺度增材制造帶來了新的技術挑戰(zhàn)，如更重的重量、復雜的邊界條件和構件連接方式。構建大型增材制造作品需要機械臂的打印工具包或較小打印尺寸的模塊化組件。在這項研究中，我們采用后一種方法來設計和制造一個總跨度為6.6 m，總高度為4.8 m的大型Hypar殼結構。在結合參數(shù)化設計和力學結構分析的交互過程的指導下，我們能夠在 hypar 殼體表面找到最佳開洞位置分布�？紤]到打印機制造能力的限制，我們將整個結構分解成許多不同形狀的小模塊，并將制造任務發(fā)送到多個預制工廠。通過在兩個工廠進行這種平行預制，我們能夠在 4 到 5 天內(nèi)完成模塊化單元，然后進行安裝過程的預演。此外，我們還將數(shù)字照明設計納入結構設計過程，為燈具和電線預留空間。值得注意的是，外殼結構可以拆卸和重新組裝以供多次使用。我們在英國蘭開斯特和謝菲爾德證明了它們的建筑效率，后來又在香港知專設計學院展出。從環(huán)境的角度來看，我們認為進一步的材料回收策略包括將打印模塊變成更小的碎片，并將它們轉換回3D打印細絲或顆粒，正如“蝶變”殼體完成了完整的蛻變。

3D打印設備和機器人輔助技術的最新發(fā)展使我們能夠構建更大的組件，這將使增材制造技術更適合建筑行業(yè)。同時，模塊化設計方法現(xiàn)今仍適用于3D打印部件的標準化，即通過設計更好的連接件進行構件的重復使用和再組裝。我們希望這個案例研究可以提供指導，并激發(fā)對3D打印結構的模塊化設計和制造的進一步研究。潛在的研究方向包括模塊單元和空間結構的優(yōu)化，高速大尺度打印設備的開發(fā)，功能或能源與3D打印預制構件的統(tǒng)一成型，材料回收策略等。我們設想，大尺度增材制造將補充傳統(tǒng)的建筑技術，為設計師在智能建造時代設計輕量化和定制結構提供更多的自由。

海帕外殼的生物啟發(fā)設計。(a) 受力機制。(b) 在按比例縮小的 3D 打印外殼上進行試驗。外殼的試驗。(c) 典型的翼型及其變化[44]。(d) 具有生物啟發(fā)鏤空圖案的外殼。

受蝴蝶翅膀啟發(fā)而設計的海帕 外殼的總體設計流程圖。

基線海帕外殼 (a) 幾何參數(shù)；(b) 不同升跨比海帕外殼的應力分布；(c) Voronoi 多邊形的應用；(d) 鏤空圖案的生成。

帶有鏤空圖案的海帕外殼的形狀優(yōu)化過程

海帕外殼的數(shù)值分析。(a) 靜載荷下的應力分布。(b)風荷載下的應力分布。(c) 屈曲分析得出的特征值形狀。

模塊單元的組裝。a 兩種連接器；b 帶有 12 個較大組件的海帕外殼。c 3D 打印面板內(nèi)的照明光源。

照明設計和測試。a 照明安裝孔和凹槽的參數(shù)化設計 b 照明效果測試 c 夜景實際照明演示

作者和機構
School of Architecture, South China University of Technology, Guangzhou, 510641, China
Chaohao Su

Architectural Design & Research Institute of SCUT Co., Ltd, , Guangzhou, 510641, China
Chaohao Su, Meiqin Yuan & Yi Fan

School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou, 510641, China
Lu Zhu & Nan Hu