作者简介

鲍鼎文，男，澳大利亚注册建筑师，皇家墨尔本理工大学建筑学院设计课导师，创新结构与材料中心博士研究生

严鑫，男，中国科学院大学建筑研究与设计中心博士研究生，皇家墨尔本理工大学创新结构与材料中心访问学者

引言

本文主要讨论澳大利亚皇家墨尔本理工大学谢亿民院士团队的两位建筑师鲍鼎文和严鑫近期完成的一系列基于拓扑优化算法的建筑形态生成和机械臂建造的研究项目。此研究项目在皇家墨尔本理工大学创新结构与材料中心和建筑机器人实验室协同合作下完成。

正文

21世纪随着计算机和数字模拟技术的不断发展，越来越多的建筑师、设计师以及艺术家们在追求建筑形态美观的同时也开始追求结构承载的最佳性能。建筑师和结构工程师们也渐渐将目光投向学科交叉处。在这里，不同专业的观点和思想可以相互碰撞而产生新的火花。基于结构性能的建筑找形设计可以追溯到安东尼?高迪（AntoniGaudi）的倒挂悬链实验。随后，从薄壳结构为主的力学建构技术发展到拓扑优化结构性能生形，越来越多的数字技术被应用于建筑形态设计中。近几年来在同济大学DigitalFUTURES数字建筑工作营中，菲利普?布洛克（PhilippeBlock）教授团队、袁烽教授团队等的数字建造实践又将这一方法论真正应用到了建造的“物质化”层面[1]。本文主要讨论澳大利亚皇家墨尔本理工大学谢亿民院士团队的两位建筑师鲍鼎文和严鑫近期完成的一系列基于拓扑优化算法的建筑形态生成和建造的研究项目。此研究项目在澳大利亚皇家墨尔本理工大学创新结构与材料中心和建筑机器人实验室协同合作下完成。本文主要介绍的创新技术是拓扑优化生成算法结合大型机械臂3D打印技术。

基于有限元结构性能分析法，建筑师们在过去15年中利用拓扑优化算法创造了很多优雅、高效及高性能的建筑形态：澳大利亚著名建筑师马克?贝瑞（MarkBurry）曾和谢亿民院士利用其团队首创的双向渐进结构优化法（BESO）数字模拟算法对高迪的圣家族大教堂的形态和结构进行了大量研究和探索[2]（图1）；年普利兹克奖得主日本建筑师矶崎新团队用拓展的渐进结构优化法（EESO）技术设计建造了卡塔尔国家会议中心及上海喜马拉雅中心（图2）；瑞士苏黎世联邦理工大学的数字建造技术实验室的负责人本杰明?迪伯伦格（BenjaminDillenburger）也曾带领团队使用改进后的双向渐进结构优化法进行了大量建筑构件的生成及优化。

图1圣家族大教堂内部的树形柱

图2年普利兹克奖得主日本建筑师矶崎新团队设计的卡塔尔国家会议中心

最近两年，谢亿民院士团队基于双向渐进结构优化法算法研发的RhinoGrasshopper程序插件Ameba为设计师们用拓扑优化法生成建筑形态提供了更为高效且直观的平台[3][4]。其团队的鲍鼎文和严鑫近期又再次改进双向渐进结构优化法，先后设计了两个大型建筑原型并利用机械臂大型3D打印技术将其实现。这两个建筑原型分别被命名为X-Form1.0和X-Form2.0，它们在设计和建造的难度与复杂度上逐步递增，并相继在年第9届同济大学上海数字未来会议及展览和第60届国际薄壳及空间结构会议及展览中展出。

X-Form1.0的整体尺寸为2m×2m×2.5m，整体结构的镂空平板顶面由4个对称的树状结构支撑。基于双向渐进结构拓扑优化算法，这些结构可以轻易地从一个顶面设有均匀压力、底角固定的立方体逐步削减和重新分布材料，得到形态酷似高迪的圣家族大教堂内部的树形柱（图3，图4）。

图3

图4

年X-Form1.0大型机械臂3D打印项目在上海同济大学第9届上海数字未来会议及展览展出

X-Form2.0是X-Form1.0的升级作品，在前作的基础上进一步扩大了整体尺寸，达到了3.5m×2.5m×3.5m，同时顶面也由原来的一整块平板变为了12片位于不同高度的分离曲面。在施加于多片曲面屋顶的法向压力荷载的作用下，多簇树状结构从共同的底端生发出来。借助于改进的双向渐进结构优化算法，可以将屋顶曲面设置为软性材料，从而使得树状结构出现了多级分支，并且更能有效控制分支的生成逻辑，增加了整体结构的美观性，图5为整体原型的1/4模型（图5，图6）。

图5

图6

年X-Form2.0大型机械臂3D打印项目在西班牙巴塞罗那第60届国际薄壳及空间结构会议及展览中展出

鉴于当代技术条件，3D打印是实现拓扑优化造型的最佳途径。然而，大部分3D打印拓扑优化形态多以小尺度为主，比如优化的节点、铰链和首饰等，而X-Form项目运用了大型三维打印技术实现了大尺度拓扑优化设计的建造。借助灵活而精准的工业机械臂和熔融沉积成型（FDM）聚合物材料3D打印理论，皇家墨尔本理工大学建筑机器人实验室主任罗兰?斯努克斯（RolandSnooks）团队最早研发了建筑尺度的大尺度3D打印技术（图7），来实现多项大型建筑建造及结构上的应用，其中包括了在罗兰?斯努克斯教授在维多利亚州立美术馆展出的巨型装置“浮冰”以及为莫纳什大学SensiLab打印的会议室内部隔墙（图8，图9）。

图7澳大利亚皇家墨尔本理工大学建筑机器人实验室

图年罗兰?斯努克斯团队设计打印并建造的莫纳什大学SensiLab会议室内部隔墙

图年罗兰?斯努克斯团队设计打印并建造的巨型装置“浮冰”，在澳大利亚维多利亚州立美术馆展出

在近期，罗兰?斯努克斯教授及其团队改进了3D机械臂打印算法，经过不断的材料及打印测试，实现了非连续路径的大尺度机械臂3D打印技术。年底，新的打印算法第一次运用在了由罗兰?斯努克斯和鲍鼎文共同设计并打印的浮冰2.0项目上，并在年香港设计营商周（HKBoDW）展出（图10）。由于此打印算法对于离散式几何形态的兼容性，鲍鼎文和严鑫随后将此创新打印技术应用于拓扑优化形态的实现上，成功地打印出了建筑尺度的构件及空间结构X-Form。经过不断地测试聚合物材料和调整打印参数，实现了高质量的大型机械臂打印。打印出的建筑构件看似玻璃般晶莹剔透，但有着高强度的结构性能，其调整参数一般包括喷头温度、打印速度、喷头回抽、热床温度、打印层高、出料量度以及对聚合物材料的不同处理。

图10年由罗兰?斯努克斯和鲍鼎文一同设计并打印的“浮冰2.0”，在香港设计营商周展出

另外，相比X-Form1.0的一次打印成型，X-Form2.0在打印上又增加了不少难度。由于要将其运输至西班牙巴塞罗那参展，X-Form2.0被拆分成了25个构件及12个节点，在设计打印过程中X-Form2.0将节点几何设计融入到了构件的形态设计中，并且顶部双曲面的打印比起X-Form1.0的水平顶面又增加了不少难度。利用机械臂3D打印这两个项目分别用时为64h和h，而现场人工安装时间仅需3~10h，此建造过程大大减少了人工、用材以及其他耗费，更快速和有效地完成了建造过程。

笔者认为此项研究对拓扑优化算法设计及大型3D机械臂打印技术应用于建筑设计及建造具有较大的参考价值，同时其在智能设计与智能建造方面也有着很大的发展潜力。此项创新的建筑原型研究更新了传统设计思路及建造模式，为未来建筑师们创造更美观及高效的建筑形态提供了一定的启发。

（图片来源：图1来自