专访斯图加特大学计算设计学院:改变建筑领域的游戏规则

jimmy肖明 · 发表于 2020-5-3 08:52:25

gooood对一些机会和条件合适的项目推出深度报导，希望对项目进行更为立体的表达和展现。

本次专辑带来的是斯图加特大学计算设计学院（ICD）和他们的一系列具有实验性的科研展亭项目。ICD于2008年在斯图加特大学成立，专注于先进计算机设计方法的理论和实践开发，以及机器人建造技术的综合运用。作为ICD项目的重要组成部分，科研展亭是ICD在计算设计和机器人建造方面的近12年科研功效的集中体现。此次，gooood针对这一系列科研展亭项目与ICD主任Achim Menges教授对话，旨在让读者进一步了解ICD团队的研究功效及其在数字技术利用方面的突破和立异。
*更多关于斯图加特大学计算设计学院（ICD）的项目，请点击文末“阅读原文”
出品人：向玲
编辑：武晨光微信编辑：李诗蓉

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斯图加特大学计算设计学院

1.
ICD是一个怎样的团体？请简单介绍它的开办布景、愿景、团队构成以及工作方式。
斯图加特大学计算设计学院（ICD）在2008年由Achim Menges教授在斯图加特大学创建。ICD的目标是培养能够适应先进的计算设计方法，并将其运用在设计、工程、规划和建造等领域的学生。这些主题之间的相互关系同时体现在技术性和智能性两个方面，学生需要基于这两点来大胆探索形式、空间、建造和生态上的潜能。
ICD的主要研究领域有两个：一是先进计算机设计方法的理论和实践开发，二是机器人建造技术的综合运用。具体的实现方法是借助计算机技术的发展来平衡形式、材料、结构以及环境的相互作用，并将技术上的进步整合至功能性材料的制造以及建筑系统的生产傍边。

2.截至目前，ICD完成了多少个“展亭”项目？设计这些展亭的初志是什么？通常一个亭子的设计周期是多久？从设计到建成需要经历一个怎样的过程？
我们目前已经完成了跨越15个实验性的建筑项目。通常来说，ICD的项目分为两种类型：ICD/ITKE科研展亭（The ICD/ITKE Research Pavilions）属于教育和研究领域的项目，由研究人员和学生共同完成，其实际作用是全方位地实践和检验我们在计算设计和机器人建造上的科研功效。类似的展馆从最初的构想到实际落成一般需要1年至1年半的时间。
第二类是与外部客户以及行业伙伴的合作项目。这些项目通常是受委托建造，而且在专业的建筑实践布景下进行开发、批准和实施，同时受到严格的时间和本钱约束，因而最终能够将科研展亭的功效带入一个新的高度。举例来说，目前完成的两个BUGA展亭是在2018年3月受托建造，2019年4月便正式开放，从研究、设计到落成，包含审批和获得许可的过程在内，仅花费了13个月的时间。
▼ICD自成立以来完成的部分“展亭”项目

3.除木材、纤维等材料，还有哪些材料实现了数字化的设计和建造？
除木材之外，我们还对纺织材料和聚合材料进行数字化设计。聚合材料尤其有趣，我们目前已经对这种由经过设计的颗粒材料构成的空间围合构造进行了许多探索。颗粒材料是一种由大量颗粒或微粒组成的材料系统，这些粒子之间其实不相互衔接，而是在摩擦力的作用下相互作用。在自然界中，沙子、碎石或雪都是这样的例子。经人工设计的颗粒材料，其几何形状和质地都是可以由设计者自行界说的，因此设计颗粒的过程能够让颗粒材料的整体属性获得调试和校准。

- 木材 -
▼2015-16年科研展亭以片状木材为原料，运用自动化纺织技术手段装配而成（点击图片查看更多）

▼Landesgartenschau展馆集中展现了当前采取参数化设计和机器人加工方法筑造轻型木结构建筑的发展功效（点击图片查看更多）

- 纤维 -
▼2012年的科研展亭使用了约60公里长的碳纤维和玻璃纤维复合材料（点击图片查看更多）

▼2017年的鞘翅馆将树脂浸渍的玻璃纤维和碳纤维在硬化前环绕纠缠在六角形支架上（点击图片查看更多）

- 纺织材料 -
▼Textile Hybrid M1项目展示了对纺织材料在新型轻质可弯拉结构中的性能的综合研究

- 聚合材料 -
▼对聚合材料进行数字化设计的代表性案例：2018年聚合展馆，是首个完全由数字设计的颗粒材料围合而成的建筑空间（点击图片查看更多）

4.2018年聚合展馆展示了ICD在颗粒材料方面的为期10年的研究功效，使建筑结构可以不竭地被重新配置。你认为建筑的重新配置对于建筑在未来的发展有着怎样的意义？
重新配置是对建筑学的一项重大挑战，因为目前的大部分设计和建造方法都是在试图维持静态系统和结构的持久性。然而，为了应对未来的社会转变以及对于资源循环利用的迫切需求，构建一个不发生浪费且不造成性能损失的建筑体系才是最令人信服的解决法子之一。因此对于颗粒材料的研究就变得十分切题且有趣——从潜在层面上看，它是一种能够同时实现液态和固态两种形式的建筑材料。颗粒材料可以在使用后被重新配置并延续利用，尤其是在单个颗粒的几何形状经过设计的情况下，整体材料都可以被赋予特殊的性能。这种立异的技术使得颗粒材料自己即可以被看作是一个建筑系统。
▼2018年聚合展馆（点击图片查看更多）

▼两种分歧的“设计颗粒”：浮动的球体，和互锁的六足结构

▼颗粒材料能够同时实现液态和固态两种形式，而且可以在使用后被重新配置并延续利用

▼生成过程，颗粒通过大型的机器人系统倾倒在现场

5.你们分别会采取怎样的研究方法对待人造和自然材料？两种类型的材料的发展对于未来建筑设计建造有怎样的意义？
这两种材料实际上都属于纤维复合材料，因此不存在太大的区别。木材是一种由纤维素和木质素构成的天然纤维复合材料，而我们所做的玻璃和碳纤维展亭则是由合成的纤维复合材料构成。从素质上说，这两种材料的工作方法是相同的，但就木材而言，我们需要顺应这种以树的组织生长的纤维结构；而在合成纤维中，我们可以自主地设计它们的组织和结构。
▼在天然纤维中，需要顺应以树的组织生长的纤维结构（例：BUGA木质展亭）

▼在合成纤维中，可以自主地设计纤维的组织和结构（例：BUGA木质展亭）

6.ICD的展馆项目经常涉及到仿生学，数字化的设计和建造与生物之间有着怎样的联系？
从自然中发现的灵感，加上计算设计和机器人制造技术的进步，以令人惊讶的方式对建筑技术中的现有方法提出了挑战，甚至于创作发明出截然分歧的可能性。生物学为形式、结构和实施过程中的原理提供了取之不竭的资源，并进一步被运用到建筑傍边。与此同时，计算也深刻地改变了建筑行业。我们希望借助这些自然中的灵感去探索能够让数字技术在建筑和建造中发挥全部潜力的方法，超出目前已经建立的较为初步的数字化和自动化规程，最终让计算设计与建筑建造实现真正意义上的融合。
▼ICD在多个项目中以海胆的骨架作为形态学原理（上左）Landesgartenschau展馆；（上右）2011年科研展馆
（下左）BUGA木制展亭；（下右）2015-16年科研展馆

▼鞘翅馆（左）的设计灵感来源于甲壳虫的飞行鞘翅，自适应折叠凉亭（右）结构模仿了瓢虫同党的折叠机制

▼2015年科研展亭的新型建造方式受启发于居住在水泡中的水蜘蛛的建巢方式（点击图片查看更多）

7.“自适应折叠凉亭”（2018-19）是一个非常有意思的动态项目，它可以根据环境来调剂自身的形态。如何界说“自适应结构”？在该项目中，对于自适应结构的探索有了怎样的突破？
自适应结构历来是建筑师和工程师们不懈探索的领域，而且已经发生了许多概念和技术上的方案，其目的是使建筑系统满足不竭转变的空间和结构需求，而且及时对环境转变做出回应。最新的自适应结构案例大都是在缸体力学的基础上提出的，该项目的分歧之处在于，它探索了纤维增强塑料材料在大型动力折叠系统中的应用潜力，并测验考试通过枢纽带的弹性形变来实现空间的重构。另外，它并不是只是将计算机技术和机器人系统运用到设计和制造的过程中，而是使其成为结构自己。一体化的运动系统能够自动调剂结构的围合水平，同时作为一个自动化的建筑系统来与使用者进行交互和沟通。
▼自适应折叠凉亭探索了纤维增强塑料材料在大型动力折叠系统中的应用潜力（点击图片查看更多）

▼凉亭根据环境来调剂自身的形态

▼能够与使用者进行交互和沟通的自动化建筑系统

▼自适应折叠凉亭工作流程示意

8.在乌尔巴赫塔（Urbach Tower）项目中，如何对木材部件进行编程设计？它是如何依靠材料自身来自力完成整个制造过程的工艺的？
在木材建造中，湿度的转变往往会致使开裂和变形的问题；因此，木结构中的水分转变和应力的生成都必须获得精确的控制。在乌尔巴赫塔（Urbach Tower）项目中，我们利用这种强大的、自然发生的形变来引发材料的自我塑造，以此来完成对木材的“编程”和排列。
▼乌尔巴赫塔是世界上第一个由自成型的建筑规模组件构成的建筑结构（点击图片查看更多）

对机器编程可以使其执行分歧的动作，同样地，对木制构件进行编程可以使其在干燥后显现为预先设定的形状。虽然人们对于如何弯曲木材以实现分歧形状和美观性的探索已经延续了数百年，而且已经成了经过验证的工业生产方法，但这主要还是依靠绝对的机械力来完成塑形的。
而现在，新的计算设计和模拟方法可以带来更准确的预判，使我们能够利用这种湿度引发的膨胀和收缩来设计和编写特定的自我塑形行为，并将其应用到越来越大的标准傍边。乌尔巴赫塔展示了高效、经济、环保且富有表示力的木结构建筑所拥有的可能性，而这一功效是在精湛工艺、数字立异以及科学研究的共同作用下才得以实现的。
▼乌尔巴赫塔利用自然发生的形变来引发材料的自我塑造

▼对木制构件进行编程可以使其在干燥后显现为预先设定的形状

9.全新的建筑方式需要全新的设计和制造方式，例如BUGA木质展亭是在合作设计（Co-Design）的范式下进行概念构思的，请介绍一下Co-Design的概念以及它的优势。
建筑学和建筑领域立异的一个主要障碍是数字技术研究所固有的分割性，它会偏重于设计和工程学方法、制造和建造过程、材料和建筑体系的其中一个方面。要想利用数字技术带来突破性的进步，就需要找到一种能够在以上所有方面都具有立异性的综合性研究方法。我们的目标就是开发出“合作设计”（Co-Design）这种将具体方法、过程和系统、跨领域社会文化研究以及建筑论证综合起来的全局性的方法论。以该目标为基础，我们的研究计划覆盖了以下5个关键部分：1.真正将计算设计和工程学结合起来的具体方法；2.自动化的信息-物理（cyber-physical）装配和建造过程；3.界说数字设计、下一代材料和建筑体系的系统；4.能够确保包涵性和可延续立异的思考；5.能够适应畴前瞻性研究到实际建筑应用的快速转变的建筑范例。
▼BUGA木质展亭的木片单体结构体系爆炸图（左）和木板分歧纹理方向的分析（右）

▼BUGA木质展亭的自动预制：将自动装配与高精度加工相结合（点击图片查看更多）

10.数字设计和建造需要借助机器人和机械制造工艺，目前ICD拥有哪些先进的制造设备？
ICD拥有一个配套非常齐全的计算建造实验室（Computational Construction Laboratory），提供了高度灵活的工作环境。数字基础设施能够允许最多36轴的机器人系统进行可变配置。另外，我们还与分歧的合作伙伴开发了数个可移动的机器人建造平台，用于建筑构件的非现场及现场预制。
▼ICD的计算建造实验室

▼生产现场

11.ICD目前正专注于哪些研究？现阶段的发展目标是什么？面临哪些挑战？
ICD成立了一个新的综合性计算设计和建造精英集群（IntCDC），致力于充分利用数字技术的全部潜能，重新构想以综合性和跨学科性为基础的设计、装配和建造。我们所追求的目标是做出能够改变建筑领域游戏规则的立异，而只有借助大规模的跨学科方法，实施高度一体化的基础性研究，才能够让这一目标得以实现。我们希望通过这种基于跨学科研究（包含建筑学、结构工程学、建筑物理学、工程丈量学、制造和系统工程学、计算机科学、机器人学、社会科学以及人文科学）的综合性计算方法来为设计和建造流程以及相关的建筑体系奠定一个方法论上的基础，从而引发更深条理的反思和立异。
精英集群的广阔眼界和跨学科研究功效将增进数字技术综合方法的建立，从而帮忙应对目前的增量式方法所无法解决的来自生态、经济和社会等方面的挑战。我们的目标是通过IntCDC使计算设计和工程技术、高效的“信息-物理”（计算和材料紧密相关的）机器人建造流程、新型的人机合作模式、高效且可延续的下一代建筑体系以及社会文化和道德层面的反思形成更高级另外融合，从而为建筑学以及建筑行业创作发明一个令人瞩目的未来。
▼高效的“信息-物理”机器人建造流程

▼树立高效且可延续的下一代建筑体系是ICD精英集群的目标之一

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