【AT】中国首个碳纤维建筑的数字笔记

馥琳 · 发表于 2020-2-5 13:49:56

来源：大界机器人RoboticPlus (ID: Roboticplus)，作者：Zee，Tim

-机遇与挑战-

2018年年底，大界机器人接到建筑师俞挺的委托，将为风语筑在桐庐建造一栋由全碳纤维构筑的展亭，而且需要在2019年3月14日白色情人节之前落成，名为——结缘堂。

[图1] 结缘堂航拍图

众所周知，斯图加特大学的ICD/ITKE 每年城市打造一座碳纤维展厅，至今已有近十年的碳纤维编织技术积累，即便如此，每座展亭仍需要十多人的团队花费一年的时间设计与搭建。而这项技术在国内还没有人触碰过，没有任何可参考的研究与案例，这意味着我们要在四个月的期限内完成这近乎不成能的任务。

[图2] Elytra Filament Pavilion –ICD/ITKE;

Photographs by NAARO

-从未接触过的新材料-

建筑师俞挺的设计理念是想用一根红线来塑造整个空间结构。最直观的方法就是用线来建造，但一般认知的线材都不具有结构性，需要搭配外框架来塑形。选取碳纤维丝，一种像线一样的柔软材料，通过与环氧树脂结合后能形成坚固具有结构性的复合材料，不需任何金属框架作为辅助结构，实现了纯碳纤维自承载的结构体，完成了用一根线编织成的空间建筑。

[图3] 结缘堂内部

碳纤维丝作为一种高性能的新式材料，其比重仅有钢的四分之一却具有极高的结构抗拉性。一般工业上使用碳纤维会搭配结构环氧树脂(Epoxy Resin) 混合形成碳纤维复合材 (Carbon Fiber Composite) 。这样的复合材料兼具了碳纤维的抗拉性与树脂的抗压性等优势。

[图4] 碳纤维丝卷

我们通过大范围的材料试验来寻找结构表示较佳的复合材料搭配，这包含数种分歧品牌的碳纤维以及树脂。在模型框架上进行以碳纤维，树脂，丝束粗细，环绕纠缠方式四个变量交替组合的样品实验，在成型之后统一送到材料检验机构进行结构测试，包含三点断裂测试，即在一根碳纤维样品中间段下方设置两个相聚10cm的支点，再在中间上方施加第三个受力点，不竭增加压力，观察形变情况和断裂极限。

[图5] 碳纤维三点断裂测试

-设计功效的数字化-

结缘堂的设计是个三边体，高度四米，底边宽度有三米八。这体量已经跨越机械臂的可加工范围以及运输巨细的限制，模块化拆分势在必行。我们在数字化的界面里进行了分歧的拆块方案模拟，其中量体拆分模块数量虽少，但视觉上易发生拼接的线条，影响了一条线编织的设计概念；而拆成五片的方案在设计和编织组装上更为合理，单片的加工尺寸也刚好在机械臂的加工范围极限。

[图6] 拆块示意图

建筑师在两个三角面上分别设计了圆形与水滴形的留空，且希望由下到上显现密到疏的视觉转变。团队利用丰富的参数化设计经验，通过演算法来控制这一根线需要经过的锚点以及该避开的处所，来完成建筑师想要的留空以及疏密转变。

[图7] 参数化编织算法

-能承受荷载的碳纤维编织平面？-

另外一个难以实现的技术难点，就是底部编织面的承载能力。结缘堂的设计需承受三到四个人的荷载，但整个碳纤维建筑悬空而设，唯一的支撑只有正中央靠的非常近的四根短柱，这意味着整个展亭就像一个跷跷板；所有的重量，包含整个展亭的重量和里面人荷载的重量，都要集中在底面上，这对材料和结构的考验非常大。

[图8] 底面四道结构桁架

经过与结构设计师张准的讨论，我们大幅度增加具有张拉结构特性的编织层，加强底面对来自上部荷载的承载能力。同时增加了四道桁架形状的编织面，来帮忙传递直接作用于底面的人荷载。最后事实证明碳纤维装置完美的结构成立。

[图9] 装置底面悬空效果

-机器人编织设备的研发-

如果说在这个参数化建造的实际项目傍边，机器人路径的程序编写花费了10%的时间本钱，那么整套硬件（碳纤维纱架，树脂浴缸，工具头，锚点，编织框架）的设计、制作、安装和调试则花费了近70％的时间。

[图10] 机器人编织场景

整套机器人编织加工流程是：多卷碳纤维丝形成一束并通过环氧树脂浴缸，混合成未固化的碳纤维复合材，并引导到机械臂的编织工具头上，在编织框架上进行编织，完成编织后整个框架会进入量身定制的大型烤箱加热至摄氏80度来固化碳纤维同时增加强度。

[图11] 机器人编织工装设计

纱架是在纺织工厂的一个术语，指的是进入编织机器前，有序放置原丝，提供张力的架子。张力是个很敏感的因素。如果张力过小，当牵扯力瞬间消失时，碳纤维卷就会因为惯性继续往前滚动，带出过多的碳纤维丝，影响了其他碳纤维丝的输送路径以及树脂浴缸的运作；如果张力过大，就会为其他所有的硬件端带来不需要的阻力，增加硬件破坏和碳纤维丝断裂的可能性。

[图12] 碳纤维纱架

接着碳纤维束进入树脂浴缸，让碳纤维束达到工具头之前，能充分浸润于环氧树脂之中，同时又得沥失落多余树脂。可是因为树脂的高粘度以及发热固化的问题，以及碳纤维丝起毛(一根24K的碳纤维丝含有24,000条细丝)的特性，让树脂浴缸的设计是整个过程中最具挑战的一部分，ICD也是不竭地在改良做法。

此次团队开发出了与斯图加特大学所使用的完全分歧的树脂浴缸体系，体积极小，十秒内快速拆卸，清洗方便；自行研发的树脂过滤器，使树脂的利用率更是高达95%。

[图13] 编织工具头

编织工具头位于六轴机械臂的末端，机械臂也是通过分歧的末端工具头(End Effector)来实现分歧的工艺。编织用的工具头主要由铝型材杆件和铝管构成，具有一定韧性。主要负责把牵扯出来的碳纤维丝环绕纠缠到锚点之上，因此经常同时受到纱架和锚点带来的双重拉力，很容易被破坏。拉力也会直接转化到碳纤维丝经过工具头时，进出的两个受力点，因此我们在受力点添加了纺织厂所用到的过线圈，让碳纤维丝能够顺滑的通过而不竭裂。

-编织过程遇到的问题-

在编织正式的所有部件之前，我们先进行了样品面的编织（三角形面），来检验所有硬件与工序；实际上，我们也克服了很多问题，好比说调剂纱架上碳纤维丝的张力，优化自行研发的树脂浴缸，增加工具头的稳定性，调剂机械臂的速度来减少张力致使的碳纤维丝脱线(起毛)、优化锚点形式减少缠线的问题等等，让每片面的编织时间达到了一天内。

[图14] 机器人编织路径测试

[图15] 锚点编织行为

加上安装与拆卸等配置时间，编织完五片面只用了两周多的时间。由于项目开始阶段我们就考虑到了安装，拆卸和运送的便当性，而且每片构件都非常的轻，因此整个装置运输到桐庐青龙坞现场后，团队只花费了一天的时间便建成了结缘堂。

[图16] 机器人底面编织过程

[图17] 轻量的侧面构件

-最轻盈的建筑装置-

整个建筑装置使用了7200米的碳纤维丝，总重不到140公斤，建筑密度为每立方米18kg，可实现400KG的承载力。

[图18] 结缘堂现场实景

CREDITS

设计公司：Wutopia Lab

主持建筑师：俞挺

项目建筑师：孙丽然

业主：上海风语筑展示股份有限公司（股票代码：603466）

项目：放语空乡宿文创综合体/流云项目

数字化建造：大界机器人赖冠廷梁喆黄培宜黄梓洵哈玉宏

结构顾问：和作结构建筑研究所张准

照明设计：张晨露

位置：青龙坞，桐庐，中国

面积：6.8㎡

材料：碳纤维

建成时间：2019年3月14日

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