超越幾何：全球最大改性塑料3D打印建造體欣賞

全球最大的改性塑料3D打印建造體——南京歡樂(lè)谷主題樂(lè)園東大門(mén)，在2020年11月11日隨著園區(qū)的正式開(kāi)放，近期經(jīng)過(guò)近半年驗(yàn)收、運(yùn)營(yíng)和使用觀察，如今非常完美呈現(xiàn)我們?cè)诮ㄖC(jī)器人打印建造技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)能力與實(shí)踐水平。

2020年是不尋常的一年，4月下旬開(kāi)始，隨著疫情的有效控制，該項(xiàng)目進(jìn)入入口廣場(chǎng)與主大門(mén)的實(shí)施收官階段。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)與建筑機(jī)器人協(xié)作，全面顛覆了傳統(tǒng)意義上的設(shè)計(jì)到建造的流程，高效、精準(zhǔn)地完成了超尺度、高維幾何建造體的改性塑料3D打印實(shí)施工作。獨(dú)特的定制化建造體不僅在形象上成為了南京歡樂(lè)谷的代表性標(biāo)志，也完美組織整合了從前廣場(chǎng)到主題樂(lè)園的空間過(guò)渡。

在疫情后的特殊時(shí)刻，沒(méi)有什么比創(chuàng)造一個(gè)愉悅的空間更加重要。激發(fā)無(wú)比歡快的游樂(lè)場(chǎng)氛圍，同時(shí)有效組織出入口檢票以及紀(jì)念品店的動(dòng)線功能，這些需求都需要用一個(gè)整體式設(shè)計(jì)給出解決答案。

基于計(jì)算性幾何的多維雙曲面在多孔性穿透下得到無(wú)限擴(kuò)展，三維空間的內(nèi)外折疊增強(qiáng)了空間的連續(xù)性，曲面起止的綿延消弱了建筑的邊界，入口空間呈現(xiàn)從各個(gè)方向接納游客的歡迎姿態(tài)。大門(mén)整體采用整體鋼結(jié)構(gòu)骨架找形，除屋面不可見(jiàn)的較為平整部分采用部分GRP材料外，其他彩色外表皮采用3D改性塑料外表皮打印的建構(gòu)體系。

南京歡樂(lè)谷東側(cè)大門(mén)長(zhǎng)52m，寬26m，投影面積1352㎡，曲面展開(kāi)面積1950㎡。多維雙曲幾何體實(shí)現(xiàn)的異形不規(guī)則懸挑跨度長(zhǎng)達(dá)30米，挑戰(zhàn)的不僅僅是設(shè)計(jì)難度，更是建造精度。占地18300㎡?廣場(chǎng)成為大門(mén)的鋪墊與背景，超然愉悅的歡迎之門(mén)，為游客開(kāi)啟游園體驗(yàn)的新序章。

設(shè)計(jì)范圍不僅僅是東大門(mén)本身，還包含了整個(gè)園區(qū)的入口廣場(chǎng)及廣場(chǎng)地下室出入口的木構(gòu)大門(mén)。方案設(shè)計(jì)初期，場(chǎng)地中需要統(tǒng)籌的要素頗多——從基地南側(cè)道路到兩大園區(qū)入口，從北側(cè)復(fù)雜建筑界面到地下扶梯出入口，幾者共同帶來(lái)了場(chǎng)地中人群活動(dòng)的隨機(jī)性，產(chǎn)生了維度各異、強(qiáng)度不同的人流動(dòng)線干擾。為解決該問(wèn)題，需將人群視作場(chǎng)地中運(yùn)動(dòng)的粒子群，通過(guò)基于集群多代理系統(tǒng)的自組織粒子群算法對(duì)動(dòng)線進(jìn)行模擬，再將不同動(dòng)線轉(zhuǎn)化為矢量要素，使整個(gè)廣場(chǎng)中的人群行為形成一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)向量場(chǎng)。除人群活動(dòng)外，場(chǎng)地的客觀環(huán)境中還存在著矢量方向場(chǎng)、漩渦場(chǎng)、點(diǎn)場(chǎng)、排斥力場(chǎng)、向心力場(chǎng)等多個(gè)場(chǎng)。

通過(guò)多代理系統(tǒng)，綜合場(chǎng)地客觀環(huán)境中場(chǎng)所形成的空間復(fù)合力場(chǎng)，可用來(lái)模擬復(fù)雜多變的實(shí)際環(huán)境。在模擬中，將場(chǎng)地的東、西入口以及廣場(chǎng)入口視作粒子運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)，將復(fù)合力場(chǎng)模型視作真實(shí)空間的力場(chǎng)環(huán)境，并通過(guò)計(jì)算分析，得到復(fù)合力場(chǎng)對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的影響以及對(duì)粒子群空間分布的改變。

最終，在人群與場(chǎng)地關(guān)系的基礎(chǔ)之上，基于集群智能的模擬結(jié)果進(jìn)一步針對(duì)模擬結(jié)果使用像素化干擾的手段，將場(chǎng)與場(chǎng)之間的復(fù)雜關(guān)系轉(zhuǎn)化為廣場(chǎng)鋪裝的肌理層次，完成周邊大尺度繁雜空間的初步整理與組織。除場(chǎng)地外，建筑形體也需綜合多方因素進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。入口周邊人流動(dòng)線復(fù)雜、活動(dòng)種類(lèi)繁多，如何在融入場(chǎng)地的同時(shí)，完成動(dòng)線梳理并給予形態(tài)以標(biāo)志性，使其幾何兼具功能與美學(xué)價(jià)值，是該項(xiàng)目的核心思想與最終目的。因入口底側(cè)有大量人群穿行通過(guò)，兩側(cè)有建筑邊界向內(nèi)擠壓，若以入口為正形空間，以底側(cè)人流與兩側(cè)建筑為負(fù)形空間，該入口在圖底關(guān)系中并不會(huì)是規(guī)則的多邊形，而將成為漂浮在場(chǎng)地中的多維拓?fù)淞餍巍?/span>

設(shè)計(jì)生形的智能性體現(xiàn)于建筑師與計(jì)算機(jī)的協(xié)作之中，計(jì)算性幾何拓?fù)湓桶l(fā)生自數(shù)學(xué)曲面：a1*sin(x)*sin(2*y)*sin(3*z)+a2*sin(2*x)*sin(y)*sin(3*z)+a3*sin(2*x)*sin(3*y)*sin(z)+a4*sin(3*x)*sin(y)*sin(2*z)+a5*sin(x)*sin(3*y)*sin(2*z)+a6*sin(3*x)*sin(2*y)*sin(z)=0

通過(guò)對(duì)輸入?yún)?shù)a1、a2、a3、a4、a5、a6的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)與最終的形態(tài)結(jié)果比對(duì)，最終生成滿(mǎn)足設(shè)計(jì)期待的拓?fù)鋷缀卧?，建筑師進(jìn)而根據(jù)邊界條件、視線框景與空間的通達(dá)性需求對(duì)幾何原型進(jìn)行衍化與操作迭代。

基礎(chǔ)網(wǎng)格的形成將為建造形態(tài)的生成打下基礎(chǔ)。在得出大體形態(tài)后，隨之而來(lái)的是從幾何參數(shù)出發(fā)生成符合邊界條件的網(wǎng)格劃分，其生成需要經(jīng)歷幾個(gè)步驟：給定邊界（Boundary Input），面骨架化（Surface Skeletonization），骨架分解（Skeleton Subdivision）與網(wǎng)格細(xì)分（Mesh），最終得到實(shí)際建造可用的拓?fù)浔砻妗?/span>

基于重力場(chǎng)作用，初步形態(tài)還需進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能的模擬，優(yōu)化支撐點(diǎn)的位置，衡量視覺(jué)上的通達(dá)與力學(xué)上的穩(wěn)定，形成最終的多點(diǎn)支撐體系。拓?fù)渚W(wǎng)格中的點(diǎn)特征與線特征往往與結(jié)構(gòu)支承和受力情況相關(guān)，因此根據(jù)拓?fù)渚W(wǎng)格生成的幾何網(wǎng)格劃分，既符合建造形態(tài)，還可將結(jié)構(gòu)體系一并納入網(wǎng)格劃分的參數(shù)系統(tǒng)中。

形體掩映中，局部探出的階梯引導(dǎo)游客拾階而上，使游客能在不同的高度體驗(yàn)到拓?fù)鋷缀窝堇[下的空間多樣性，獲得豐富的建筑體驗(yàn)。在某個(gè)特定的角度，視線可穿過(guò)形體中的環(huán)洞到達(dá)園區(qū)軸線盡端的摩天輪，得到打破常規(guī)的幾何框景。在穿行中，來(lái)自各個(gè)方向的游客都能在人與拓?fù)湫误w的關(guān)系中，得到超越幾何與空間的回應(yīng)。

走向建筑機(jī)器人建造的大規(guī)模定制道路并不平坦。團(tuán)隊(duì)對(duì)于改性塑料打印的研發(fā)始于2014年，從單一材料走向復(fù)合改性塑料，從單一構(gòu)件計(jì)算走向全局有限元計(jì)算，從層級(jí)打印到空間打印，從實(shí)驗(yàn)室探索走向工示范，一共經(jīng)歷了6年時(shí)間。期間，2016年我們?cè)谙つ岽髮W(xué)RobArch會(huì)議上最早發(fā)表空間拓?fù)浯蛴〉募夹g(shù)方法；2018年，在威尼斯建筑雙年展中國(guó)館展示空間打印展亭；以及2020年完成南京歡樂(lè)谷的東大門(mén)。時(shí)間記錄了不僅僅是技術(shù)的進(jìn)步，也記錄了從原型、藝術(shù)展品到大規(guī)模生產(chǎn)建造的全部歷程，所以，本項(xiàng)目具有重要的歷史價(jià)值與社會(huì)實(shí)踐價(jià)值。在復(fù)雜幾何與智能建造背后，研發(fā)設(shè)計(jì)建造一體化以及軟硬件一體化技術(shù)平臺(tái)也成為了我們逐步攀登的“喜馬拉雅”?；趨?shù)化設(shè)計(jì)的拓?fù)鋷缀涡误w如何轉(zhuǎn)譯為可建造的模式語(yǔ)言？人機(jī)協(xié)作下的智能化建造如何在疫情的遠(yuǎn)程背景下，確保建造過(guò)程的高效率、高精度、高質(zhì)量？復(fù)雜環(huán)境下生成的多維幾何形體，亦對(duì)數(shù)字化語(yǔ)境下建造的技術(shù)性突破提出了要求。

整體設(shè)計(jì)與建造的流程是當(dāng)代建筑學(xué)與建造學(xué)的范式革新。團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的FURobot軟件平臺(tái)，是實(shí)現(xiàn)可建造模塊語(yǔ)言的轉(zhuǎn)譯的堅(jiān)石。其中不但蘊(yùn)含著建造要求下的幾何規(guī)劃、板材劃分，更重要的是將建筑幾何瞬時(shí)轉(zhuǎn)譯成建筑機(jī)器人加工路徑規(guī)劃的能力。團(tuán)隊(duì)研發(fā)了復(fù)雜模型的局部幾何模型自適應(yīng)反變形算法，將展開(kāi)面積高達(dá)1950㎡的連續(xù)曲面轉(zhuǎn)譯為可供工廠打印預(yù)制的4000余塊曲面板材，并遠(yuǎn)程生成打印路徑，最遠(yuǎn)的設(shè)計(jì)者疫情期間遠(yuǎn)在馬來(lái)西亞，云端協(xié)力完成整個(gè)設(shè)計(jì)與機(jī)器人控制文件的生成。我們搭建的人機(jī)協(xié)作的橋梁，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)師的創(chuàng)作情感與大規(guī)模定制化建造的有效融合。

為契合歡樂(lè)谷游園氛圍，6種深淺不一的紅色通過(guò)彩色像素化拼貼算法被賦予給不同的樣板段。明亮的色彩極具標(biāo)識(shí)性，在隱喻著歡樂(lè)谷豐富多彩的活動(dòng)的同時(shí)，也抽象出了游客在入口處的美好期待，以及其熱情的面貌歡迎各方來(lái)客。經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟牧显囼?yàn)，經(jīng)過(guò)十年的抗老化材料性能試驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)精準(zhǔn)研發(fā)了戶(hù)外抗紫外線彩色改性塑料材料，可以實(shí)現(xiàn)256種色彩的精準(zhǔn)參數(shù)化調(diào)色打印技術(shù)。

在幾何形態(tài)、多重顏色雙控下的復(fù)雜性，需要對(duì)打印成功率與精度具有高超的掌控力。在隨幾何與色彩差異性的單元建模后，再運(yùn)用自主研發(fā)的FURobot軟件對(duì)每塊單體進(jìn)行可供機(jī)器識(shí)別與反饋的3D打印算法編程。每個(gè)板塊單體均由大尺度3D改性塑料機(jī)器人在工廠完成預(yù)制3D打印，經(jīng)過(guò)在工廠進(jìn)行系統(tǒng)編號(hào)再運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模塊化復(fù)合安裝。建造現(xiàn)場(chǎng)配合系統(tǒng)編號(hào)采用多象限、多目標(biāo)的復(fù)合數(shù)控安裝技術(shù)，通過(guò)數(shù)控激光定位與掃描系統(tǒng)為每個(gè)3D打印外掛板進(jìn)行精準(zhǔn)定位，同時(shí)實(shí)現(xiàn)上海設(shè)計(jì)辦公室對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)工程進(jìn)度的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。在疫情期間仍實(shí)現(xiàn)了高效率、高精度、高質(zhì)量的項(xiàng)目建造水準(zhǔn)。

現(xiàn)場(chǎng)交叉施工作業(yè)的復(fù)雜環(huán)境導(dǎo)致的多維拓?fù)湫误w空間統(tǒng)籌具有極高的難度，搭建數(shù)字工地，全局形成智能感知與反饋系統(tǒng)，不但可以每天獲取建設(shè)數(shù)據(jù)，更重要的是為短工期的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)安裝精度與全局尺寸帶來(lái)保證。數(shù)字工地的自主感知系統(tǒng)，確保了復(fù)雜多維拓?fù)湫误w的實(shí)現(xiàn)，數(shù)字化生形與建造相輔相成，入口大門(mén)和周邊要素相貫相融，通過(guò)尺度的變化與新穎的材料，使得游客于空間的漸變中完成城市到主題樂(lè)園的心境轉(zhuǎn)化，將傳統(tǒng)的購(gòu)票驗(yàn)票流程轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)啟一段奇妙旅程的序章，極大地提升體驗(yàn)者的參與感與喜悅感。

歡樂(lè)谷大門(mén)項(xiàng)目作為全球規(guī)模和尺度最大的改性塑料3D打印建筑實(shí)踐之一，其直面的是大尺度3D打印領(lǐng)域的一個(gè)根本問(wèn)題：在尺度和精度上的雙重要求幾乎是超越了3D打印材料的物理性能極限的。該項(xiàng)目在全局優(yōu)化和單元計(jì)算兩個(gè)層面上對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了回應(yīng)。在全局層面，基于3D打印形變預(yù)測(cè)模型的曲面細(xì)分優(yōu)化算法保證了整體板面劃分的合理性和精度水平。

針對(duì)改性塑料研發(fā)的精準(zhǔn)的變形預(yù)測(cè)與反變形打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高效的材料性能的幾何計(jì)算；在單元層面，材料有限元計(jì)算助力下的復(fù)雜幾何和每塊打印板完全不同的幾何特征，只有通過(guò)建筑機(jī)器人研發(fā)的打印路徑規(guī)劃工具，才能實(shí)現(xiàn)每個(gè)打印單元達(dá)到精度最佳的打印效果和加工目標(biāo)。最終在南京華僑城東大門(mén)示范項(xiàng)目，在長(zhǎng)度達(dá)到52m整體建筑尺度下，全局表皮打印板實(shí)現(xiàn)了亞厘米級(jí)的完成精度。

物性有形，建造無(wú)形。從某種意義上出發(fā)，“超越幾何”不僅是對(duì)傳統(tǒng)建造技術(shù)的超越，也是一次空間體驗(yàn)的全面超越。疫情后的時(shí)代我們應(yīng)追求的不僅僅是呼吸的安全與健康的社交方式，更應(yīng)反思技術(shù)文化該以何種方式書(shū)寫(xiě)。在全球后疫情的時(shí)代中，或許唯有技術(shù)創(chuàng)新與文化融入才是在后人文背景下再拾信心重新起航的必由之路。

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