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数字泥土(四) 建筑泥土的数字应用

卡卡 发表于 2016-09-15 09:16:22
数字泥土(一)至(三) 中我们主要探讨了3D打印等数字制造技术对于“陶土”在工艺范畴中的应用。脱离了工作室的小环境,其他类型的“泥土”,比如水泥、黏土、砂石等,在空间和尺度更大的建筑领域也有非常广泛的应用。本篇我们就来看看建筑泥土的数字化应用。

用黏土建造房子有几千年的历史,至今在一些地区比如美国New Mexico (新墨西哥州)的Santa Fe和Taos等城市的印第安人仍然延续着这一古老的建筑传统。虽然如今建筑多用钢筋水泥这些工业“硬”材料,但越来越多的建筑师开始重新关注传统的、来自自然的、相对“软” 的建筑材料,(比如日本建筑师隈研吾Kengo Kuma的“负建筑”哲学)。

伊朗巴姆古城(Arg-é Bam):世界上最大的黏土建筑,500BC

黏土建筑,Santa Fe, New Mexico

数字制造技术的兴起为建筑师探索天然建筑材料提供了更多可能。建筑尺度的3D打印首当其冲。3D打印对于建筑的意义不仅在于自动化和一体化建造,还对建筑的本土化和可持续性有重大的意义。试想,如果我们无需运输大量工业建筑原料到建筑工地,而可以利用当地的泥土和沙砾直接来3D打印,就能节约能源、提高效率,这对于欠发达地区的社区建设将十分有益。3D打印技术的开源也使得3D打印机可以成为建筑师、设计师甚至普通市民可使用的工具,虽然不可能人人都在建筑尺度打印,但即便打印小尺度建筑原型也有利于快速测试建筑思路、探讨建筑方案以及进行实验性的尝试。

Serpentine就是一款建筑用3D打印机的原型,其开发目标是成为可以供建筑师甚至普通市民使用的价格低廉且技术开源的建筑用3D打印机。它是由旧金山的Future Cities Lab (未来城市实验室) 和CCA (California College of the Arts 加州艺术学院) 联合开发的,目前还处于小尺度原型阶段。Serpentine在测试阶段使用了黏土/陶土作为打印材料,因为黏土/陶土具有良好的尺度上的扩展性,既适合制作桌面尺度的器具,也能用来建造建筑尺度的空间结构。虽然Serpentine打印出来的黏土原型看上去跟之前介绍过的3D打印泥土很类似,但它们的目的性是不同的。

Serpentine黏土打印原型探索建筑打印的延展性

意大利公司WASP的3D打印建筑与Serpentine的探索类似,不过他们已经在建筑尺度上做原型了。早在2012年WASP就展示了室外大型建筑用3D打印机,用泥土为材料现场作业打印建筑结构,虽然还达不到居住标准,但可以说是里程碑式的尝试。



WASP大型建筑打印机

位于加州伯克利的Emerging Objects工作室对于建筑尺度3D打印进行了很多有意思的探索。Emerging Objects没有从大尺度整体建筑3D打印入手,而是从建筑结构的基本单元 - “砖块”作为打印对象,并探索了各种传统及非传统材料在建筑打印中的应用。Emerging Objects设计了一种中间带有孔洞、可以方便相互拼接又带有有机美感的建筑外墙“元”方块,叫做Picoroco Block。用Picoroco Block搭建起来的外墙结构不仅美观而且透光性也很好,既有建筑功能又能提供艺术装置般的体验。改变普通Picoroco Block的曲面走向,还可以使搭建出来的墙面呈现波浪的有机形态。(Emerging Objects的探索不止针对于泥土类的建筑材料,这里一并进行介绍因为有助于对其研究方向的理解。)





橙色PLA打印Picoroco Block直面墙

蓝色亚克力打印Picoroco Block曲面墙

用类似的方块单元建筑方法,Emerging Objects用回收的核桃木木屑打印了一个镂空屏风,其灵感来源于核桃木细胞在显微镜下的形态。

核桃木3D打印屏风

利用湾区海域产的海盐,Emerging Objects3D打印了一个轻薄半透明的海盐小屋。这个建筑结构一共使用了336块3D打印的海盐建筑方块,每一块的形态都有所不同。3D打印技术使得方块形态上的差异可以轻易实现而无需增加成本,这对于建造有机形态的空间结构尤其有益。

海盐小屋

Emerging Objects还开发了一种可用于3D打印的水泥材料。利用这种材料,他们设计了一种结合室内小型盆栽的六角形墙砖,可以快速通过3D打印制出不同的墙砖形态并随意拼装起来。他们用同种水泥材料利用类似海盐小屋的建造方法,搭建了一个高约3米的半开放水泥结构Bloom,水泥砖上的镂空形成了花瓣的图案,为伯克利校园增添了一道风景线。

盆栽墙砖





水泥建筑结构Bloom

Emerging Objects还探索了用砂石作为打印原材料的建筑打印。用砂石打印出来的砖块结构非常坚硬,还有抗震的效果。

用砂石3D打印的柱子

从传统的蒸发降温装置中获得启发,Emerging Objects还设计了一种内有很多小孔洞的3D打印陶瓷砖,可以通过孔洞中水分的蒸发,使得热空气在进入室内的过程中得以冷却,形成天然的制冷效果。



Cool Brick 制冷陶瓷砖

同样关注于建筑砖块的打印,来自Design Lab Workshop(设计实验工作坊)的Brian Peters开展了名为Building Bytes(建筑元)的研究项目,探索3D打印建筑砖块的结构和应用。Building Bites所用的3D打印机就是最普通的桌面3D打印机,但其挤出材料的是结构部分是Peters定制的,可以适应各种软性可流动材料,包括水泥、黏土、陶瓷等。这一改进使用户可以自由地融入建筑当地熟悉且易获得的材料作为打印原材料。

Building Bytes还探索了不同的砖块结构对于建筑的影响。砖块形态的优化可以在减轻砖块重量的同时增强其支撑强度,而特别设计的具有链接结构的砖块则可以直接连接,无需水泥等其它材料作为黏合填充。虽然砖块的生产方式是新型的,但砖块的建造方式与传统建造方法无异,因而可以迅速运用到实际生产建造中。



Building Bytes的蜂窝型砖块和两种搭建方式

X型砖块和搭建结构展示

不同结构的3D打印建筑砖块

不同砖块可搭建的不同建筑结构


小结

3D打印泥土在工作室内的工艺型应用和在建筑领域的应用除了尺度上的差别外还有什么不同呢?环境因素是其中很重要的一点。工作室中的3D打印机处于一个相对稳定的环境中,其环境参数可控,打印可重复性高;而将一个3D打印机单纯的放大,放置在建筑工地中,理论上它可以照样打印,但建筑工地是处于开放空间而非封闭可控环境之中,温度、湿度、极端天气等都会对打印结果造成影响。而同样的模型文件在不同地点进行建筑也可能因为环境不同出现完全不同的结果。针对这个问题,有两种主流的解决方案。一种是将生产建造的流程更加智能化,一边监测环境因素的变化,一边实时调整建造策略,形成一个即时反馈系统。第二种则是将3D打印的部分尽量室内化,在工厂预先制造出需要保持精准度的结构 (pre-fabricated parts),只将最后一步组装 (assembly)留到工地上,我们文中介绍的针对建筑砖块的3D打印就属于这种解决方案。

近年来我们天朝在大型建筑3D打印机上很有发展。因为与国外的探索路子不大一样所以后面单独拿出来介绍。

数字泥土(五)将继续探讨数字制造技术特别是机械臂在建筑领域的新型应用。

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