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——南京歡樂谷主題樂園東大門，在2020年11月11日隨著園區(qū)的正式開放，近期經(jīng)過近半年驗收、運營和使用觀察，如今非常完美呈現(xiàn)我們在建筑機器人打印建造技術領域的研發(fā)能力與實踐水平。
2020年是不尋常的一年，4月下旬開始，隨著疫情的有效控制，該項目進入入口廣場與主大門的實施收官階段。設計團隊與建筑機器人協(xié)作，全面顛覆了傳統(tǒng)意義上的設計到建造的流程，高效、精準地完成了超尺度、高維幾何建造體的改性塑料3D打印實施工作。獨特的定制化建造體不僅在形象上成為了南京歡樂谷的代表性標志，也完美組織整合了從前廣場到主題樂園的空間過渡。
在疫情后的特殊時刻，沒有什么比創(chuàng)造一個愉悅的空間更加重要。激發(fā)無比歡快的游樂場氛圍，同時有效組織出入口檢票以及紀念品店的動線功能，這些需求都需要用一個整體式設計給出解決答案。
基于計算性幾何的多維雙曲面在多孔性穿透下得到無限擴展，三維空間的內(nèi)外折疊增強了空間的連續(xù)性，曲面起止的綿延消弱了建筑的邊界，入口空間呈現(xiàn)從各個方向接納游客的歡迎姿態(tài)。大門整體采用整體鋼結(jié)構(gòu)骨架找形，除屋面不可見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。
南京歡樂谷東側(cè)大門長52m，寬26m，投影面積1352㎡，曲面展開面積1950㎡。多維雙曲幾何體實現(xiàn)的異形不規(guī)則懸挑跨度長達30米，挑戰(zhàn)的不僅僅是設計難度，更是建造精度。占地18300㎡?廣場成為大門的鋪墊與背景，超然愉悅的歡迎之門，為游客開啟游園體驗的新序章。
設計范圍不僅僅是東大門本身，還包含了整個園區(qū)的入口廣場及廣場地下室出入口的木構(gòu)大門。方案設計初期，場地中需要統(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)復雜建筑界面到地下扶梯出入口，幾者共同帶來了場地中人群活動的隨機性，產(chǎn)生了維度各異、強度不同的人流動線干擾。為解決該問題，需將人群視作場地中運動的粒子群，通過基于集群多代理系統(tǒng)的自組織粒子群算法對動線進行模擬，再將不同動線轉(zhuǎn)化為矢量要素，使整個廣場中的人群行為形成一個復雜的隨機向量場。除人群活動外，場地的客觀環(huán)境中還存在著矢量方向場、漩渦場、點場、排斥力場、向心力場等多個場。
通過多代理系統(tǒng)，綜合場地客觀環(huán)境中場所形成的空間復合力場，可用來模擬復雜多變的實際環(huán)境。在模擬中，將場地的東、西入口以及廣場入口視作粒子運動的起始點，將復合力場模型視作真實空間的力場環(huán)境，并通過計算分析，得到復合力場對粒子運動軌跡的影響以及對粒子群空間分布的改變。
最終，在人群與場地關系的基礎之上，基于集群智能的模擬結(jié)果進一步針對模擬結(jié)果使用像素化干擾的手段，將場與場之間的復雜關系轉(zhuǎn)化為廣場鋪裝的肌理層次，完成周邊大尺度繁雜空間的初步整理與組織。除場地外，建筑形體也需綜合多方因素進行統(tǒng)籌考慮。入口周邊人流動線復雜、活動種類繁多，如何在融入場地的同時，完成動線梳理并給予形態(tài)以標志性，使其幾何兼具功能與美學價值，是該項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，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)建筑為負形空間，該入口在圖底關系中并不會是規(guī)則的多邊形，而將成為漂浮在場地中的多維拓撲流形。
設計生形的智能性體現(xiàn)于建筑師與計算機的協(xié)作之中，計算性幾何拓撲原型發(fā)生自數(shù)學曲面：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
通過對輸入?yún)?shù)a1、a2、a3、a4、a5、a6的動態(tài)調(diào)節(jié)與最終的形態(tài)結(jié)果比對，最終生成滿足設計期待的拓撲幾何原型，建筑師進而根據(jù)邊界條件、視線框景與空間的通達性需求對幾何原型進行衍化與操作迭代。
基礎網(wǎng)格的形成將為建造形態(tài)的生成打下基礎。在得出大體形態(tài)后，隨之而來的是從幾何參數(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)格細分（Mesh），最終得到實際建造可用的拓撲表面。
基于重力場作用，初步形態(tài)還需進行結(jié)構(gòu)性能的模擬，優(yōu)化支撐點的位置，衡量視覺上的通達與力學上的穩(wěn)定，形成最終的多點支撐體系。拓撲網(wǎng)格中的點特征與線特征往往與結(jié)構(gòu)支承和受力情況相關，因此根據(jù)拓撲網(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游客拾階而上，使游客能在不同的高度體驗到拓撲幾何演繹下的空間多樣性，獲得豐富的建筑體驗。在某個特定的角度，視線可穿過形體中的環(huán)洞到達園區(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，來自各個方向的游客都能在人與拓撲形體的關系中，得到超越幾何與空間的回應。
走向建筑機器人建造的大規(guī)模定制道路并不平坦。團隊對于改性塑料打印的研發(fā)始于2014年，從單一材料走向復合改性塑料，從單一構(gòu)件計算走向全局有限元計算，從層級打印到空間打印，從實驗室探索走向工示范，一共經(jīng)歷了6年時間。期間，2016年我們在悉尼大學RobArch會議上最早發(fā)表空間拓撲打印的技術方法；2018年，在威尼斯建筑雙年展中國館展示空間打印展亭；以及2020年完成南京歡樂谷的東大門。時間記錄了不僅僅是技術的進步，也記錄了從原型、藝術展品到大規(guī)模生產(chǎn)建造的全部歷程，所以，本項目具有重要的歷史價值與社會實踐價值。在復雜幾何與智能建造背后，研發(fā)設計建造一體化以及軟硬件一體化技術平臺也成為了我們逐步攀登的“喜馬拉雅”。基于參數(shù)化設計的拓撲幾何形體如何轉(zhuǎn)譯為可建造的模式語言？人機協(xié)作下的智能化建造如何在疫情的遠程背景下，確保建造過程的高效率、高精度、高質(zhì)量？復雜環(huán)境下生成的多維幾何形體，亦對數(shù)字化語境下建造的技術性突破提出了要求。
整體設計與建造的流程是當代建筑學與建造學的范式革新。團隊自主研發(fā)的FURobot軟件平臺，是實現(xiàn)可建造模塊語言的轉(zhuǎn)譯的堅石。其中不但蘊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轉(zhuǎn)譯成建筑機器人加工路徑規(guī)劃的能力。團隊研發(fā)了復雜模型的局部幾何模型自適應反變形算法，將展開面積高達1950㎡的連續(xù)曲面轉(zhuǎn)譯為可供工廠打印預制的4000余塊曲面板材，并遠程生成打印路徑，最遠的設計者疫情期間遠在馬來西亞，云端協(xié)力完成整個設計與機器人控制文件的生成。我們搭建的人機協(xié)作的橋梁，實現(xiàn)了設計師的創(chuàng)作情感與大規(guī)模定制化建造的有效融合。
為契合歡樂谷游園氛圍，6種深淺不一的紅色通過彩色像素化拼貼算法被賦予給不同的樣板段。明亮的色彩極具標識性，在隱喻著歡樂谷豐富多彩的活動的同時，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客。經(jīng)過嚴謹?shù)牟牧显囼?，?jīng)過十年的抗老化材料性能試驗，團隊精準研發(fā)了戶外抗紫外線彩色改性塑料材料，可以實現(xiàn)256種色彩的精準參數(shù)化調(diào)色打印技術。
在幾何形態(tài)、多重顏色雙控下的復雜性，需要對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，再運用自主研發(fā)的FURobot軟件對每塊單體進行可供機器識別與反饋的3D打印算法編程。每個板塊單體均由大尺度3D改性塑料機器人在工廠完成預制3D打印，經(jīng)過在工廠進行系統(tǒng)編號再運至現(xiàn)場進行模塊化復合安裝。建造現(xiàn)場配合系統(tǒng)編號采用多象限、多目標的復合數(shù)控安裝技術，通過數(shù)控激光定位與掃描系統(tǒng)為每個3D打印外掛板進行精準定位，同時實現(xiàn)上海設計辦公室對于現(xiàn)場工程進度的遠程實時監(jiān)控。在疫情期間仍實現(xiàn)了高效率、高精度、高質(zhì)量的項目建造水準。
現(xiàn)場交叉施工作業(yè)的復雜環(huán)境導致的多維拓撲形體空間統(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數(shù)據(jù)，更重要的是為短工期的動態(tài)預測安裝精度與全局尺寸帶來保證。數(shù)字工地的自主感知系統(tǒng)，確保了復雜多維拓撲形體的實現(xiàn)，數(shù)字化生形與建造相輔相成，入口大門和周邊要素相貫相融，通過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園的心境轉(zhuǎn)化，將傳統(tǒng)的購票驗票流程轉(zhuǎn)變?yōu)殚_啟一段奇妙旅程的序章，極大地提升體驗者的參與感與喜悅感。
歡樂谷大門項目作為全球規(guī)模和尺度最大的改性塑料3D打印建筑實踐之一，其直面的是大尺度3D打印領域的一個根本問題：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。該項目在全局優(yōu)化和單元計算兩個層面上對這一問題進行了回應。在全局層面，基于3D打印形變預測模型的曲面細分優(yōu)化算法保證了整體板面劃分的合理性和精度水平。
針對改性塑料研發(fā)的精準的變形預測與反變形打印技術，實現(xiàn)了高效的材料性能的幾何計算；在單元層面，材料有限元計算助力下的復雜幾何和每塊打印板完全不同的幾何特征，只有通過建筑機器人研發(fā)的打印路徑規(guī)劃工具，才能實現(xiàn)每個打印單元達到精度最佳的打印效果和加工目標。最終在南京華僑城東大門示范項目，在長度達到52m整體建筑尺度下，全局表皮打印板實現(xiàn)了亞厘米級的完成精度。
物性有形，建造無形。從某種意義上出發(fā)，“超越幾何”不僅是對傳統(tǒng)建造技術的超越，也是一次空間體驗的全面超越。疫情后的時代我們應追求的不僅僅是呼吸的安全與健康的社交方式，更應反思技術文化該以何種方式書寫。在全球后疫情的時代中，或許唯有技術創(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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