2023秋季四年级课程设计 | 机器人建造——性能导向的线切割砌筑结构

面向未来更加可持续的智能建造模式,本课程聚焦建筑的承重外围护结构的节点构造设计、物理性能提升、个性化砌块的制造工艺;鼓励学生探索抽象几何与建筑需求(力学、保温、省料等)之间的逻辑关联,进而提出新的构造形式与数字建造方案,并利用工业机器人搭建1:2验证模型。三组共10名学生利用机器人线切割工艺把大型轻质发泡块材切割成异型砌块,结合个性化的联结方式,实现稳定的干砌(dry masonry)外围护结构,并探索在批量定制生产mass customization)中如何使边角料最少。

学生:何靖娴, 李绍楚,董文青,叶凡,吴旻昊,何子俊,林毅城,崔程弼,王志腾,王子骁

指导教师:华好

答辩评委:

丁广明,东南大学建筑设计研究院有限公司,风景园林院院长

李鸿渐,东南大学建筑设计研究院有限公司,建筑师

李飚,云鼎4118网站,建筑运算与应用研究所所长

李海清,云鼎4118网站,教授

孔哲,云鼎4118网站,副教授

助教:张远,洪方东,钱叶柯

课程时间:2023年秋学期9-16



设计背景:承重保温的外围护结构

奥地利2226办公楼诠释了Baumschlager Eberle Architekten事务所的极简主义生态理念,充分利用阳光、风等自然条件以及室内的人与设备产生的“废热”来调控室内热环境,在不使用空调暖气的情况下使室温保持在22-26度范围内。结构由风车状核心筒与外墙共同承重,提供了灵活的室内空间布局。外围护结构为双层砌筑结构,具有优秀的保温与承重性能



2226办公楼的外围护结构兼具承重与保温性能


设计任务
2226办公楼的外围护结构设计一种新的构造形式与建造工艺,个性化的砌块由线切割工艺制造。墙体每隔2-4米设现浇混凝土构造柱,与圈梁、混凝土楼板等一起构成稳定的建筑结构。墙厚小于0.65m。原材料(大型轻质发泡块材)尺寸为1.2*1.2*2.4m。制造砌体结构的局部1:2模型砌块之间无粘结剂。用机器人批量热线切割EPS塑料形成模型的砌块,用木材代表混凝土部件(楼板、圈梁、构造柱)。


量化指标:边角料比例、空隙率、平均切割长度

关键指标1.干砌结构的稳定性:无粘结剂的情况下垂直受力性能良好,震动不易坍塌。2.砌块形状不易破损:局部厚度不宜小于50mm,避免局部易断形状或深槽。3.砌块批量化生产:减少边角料、简化机器人切割运行轨迹。3.多孔保温性:形成很多互不贯通的小空腔。4.整合构造细部:为构造柱、圈梁、楼板预留空间,容纳窗户。5.搭建的便捷性:容易定位、无需额外支撑。


    方案1:  G-reen brick    

作者:崔程弼,王志腾,王子骁

为了增加墙体的空隙率并提高原材料的利用率,本设计实践了“一分四”的构建方式,即采用螺旋线轨迹把每块方形原材料切分成4G-型砌块,形成的承重外围护结构兼具轻质省材与保温隔热的优势。

G-型砌块的壁厚(对应于螺旋线转折的次数)直接影响空隙率与砌块强度。随着转折次数的增加,砌块空隙率提高,但受力强度有所降低。本设计选用了折中的7次转折的砌块原型。砌块的局部加厚,形成与相邻砌块契合的卡槽,便于安装定位,也能增加干砌式墙体的整体强度。处于外侧的一面具有较大的壁厚,用来形成自由变化的立面肌理。

定制化的横板增强了砌块之间的垂直与水平连接。一长一短的砌块组合(立面上呈L形)与横板共同构成了一个弱互锁体系,有利于干砌式结构的稳定性。部分砌块内部留出用于浇筑构造柱的空间。另一部分砌块水平切割出凹槽,与横板一同组成圈梁模板。转角处为正方形截面的特殊砌块,适应两个方向墙面的厚度。

利用砌块外侧的几何自由度,在整个建筑立面上形成流动式的正弦曲线图案。采用参数化的建模方式对建筑的所有砌块进行批量化建模,并输出机器人线切割路径,实现批量化的定制生产。



    方案2: Abeille grid    

作者:吴旻昊,何子俊,林毅城

受到十七世纪末Abeille平拱的启发,本项目研究了互锁砌块的几何特征与拓扑互锁原理。从彼此互锁、隔断空间、空腔保温3项要求出发,团队发现正多边形的各种变体能难满足外围护结构的需求,进而提出了一种双层互锁结构,内外层之间引入了联系构件,以加强稳定性并分割空腔。为了简化砌块种类与制造复杂度,合并了内部联系构件和表面互锁砌块,最终形成一种新颖的斜三向正交结构。

该结构原型可看做对斜正交立方网格进行两次平行切割,切割面形成墙体的内外表面,两个切割面之间的立方体网格成为墙内部结构。斜正交网格边长比为1:√2:√2时,正好能实现墙体90度转角。Abeille grid结构的优势包括:网架状的结构具有较好的稳定性;所有砌块的各个部分均参与结构作用;整体空隙率较高;砌块尺寸较大,便于制造和搭接。




墙体结构由3类砌块组成。内部联系砌块竖直居中,内外侧墙体砌块嵌入其中,形成基本结构单元。3单元相连可形成更整体的砌块,加快搭建效率。兼顾美学与结构合理性,内侧呈竖直分缝便于装修,外侧呈斜向菱形。内墙砌块又细分为2连与3连两种,互相骑缝,适应不同长度的墙体。



3类砌块及其子类型(共21种)进行参数化建模,并密排在1.2*1.2*2.4m原材料方块中,以便于批量化线切割并使剩余的边角料最少。使用6轴工业机器人及其变位机实现各种不规则砌块的自动化制造。



    方案3:  L-Fabric   

作者:何靖娴,李绍楚,董文青,叶凡

本设计从墙体空隙率、卡接互锁、高效切割三个方面对L型砌块进行了深入研究,逐步推导出L-Fabric外围护结构原型,并编制了批量化定制生产L型砌块的机器人程序,构成了从构造设计到生产装配的完整数字建造流程。




设计团队首先尝试了多方块构成的个性化砌块及其组合方式,但发现这类砌体结构很难获得大于50%的空隙率。因此改用“面”的基本手法进行构造探索,围绕L型开发了多种砌块变体,最终聚焦于连续折板原型(多个L型相连),上下错层设置折板,用浅凹槽实现前后左右方向的咬合。



在墙厚度方向增加折板数量,形成空隙,也加强了整体结构稳定性。利用多层穿插的几何特征,形成转角处构造。为了造就多个互不贯通的内部空腔,增设了水平隔板构件,隔断既有的竖向贯通空腔。


机器人批量线切割L型砌块分为两道工序。首先把L型长条(长1.2米)轮廓密排在1.2*1.2*2.4m原材料方块中,尽量减少边角料。然后把得到的L型长条重新排列成矩形正交结构,机器人再进行线切割,把L型长条切分成多个L型砌块同时造就了每个L型砌块上的槽口。除了基本的L型砌块,用来围合构造柱的砌块、圈梁包裹构件也采用了类似的工序。墙体外侧的几何形状可以定制而不影响连接构造,为立面装饰提供了可能。


本课程的机器人建造robotic fabrication)聚焦于性能导向的线切割砌筑结构力求融合设计与建造,研究干砌墙体构造的形式与功能,探索材料行为与结构性能的关系。除了传授必要的技术知识(参数化建模、机器人控制与编程),本课程提倡“实践检验设计”,即学生通过实物搭建来判断结构设计是否合理、通过运行机器人来检验制造工艺是否高效省材。


信息来源:教师综合一党支部 建筑运算与应用研究所



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