新兴纤维材料在建筑领域实践中的探索

发布时间:2014-07-09 13:35:21
   摘要:随着科学技术和工程技术的飞速发展, 建筑设计领域已步入崭新的时代。当代建筑正在不断地以一种探索的方式发展以面对时代的交替。在新兴材料与新技术的变革中, 当代建筑的创新正在不断地演绎着。该文主要针对当代新兴纤维材料在建筑领域中的实践进行讨论与分析。通过新兴材料构成、智能建造方式、智能设计思路三个方面介绍了当代新兴纤维材料在建筑领域中实践案例的现状;探讨了纤维材料的建筑结构性潜力, 并以压力测试的形式与钢材料进行了对比;最后从建筑设计与建造两个角度对新兴纤维材料的智能化建筑实践进行了探索。
  
   关键词:当代建筑; 纤维材料; 人工智能;
  
  1 新兴纤维材料在建筑领域中的应用现状
  
  随着科学技术的不断进步,工业时代的种种新异已渐被习以为常,而目不暇接的当代科学研究成果正改变着各行各业未来的发展方向。建筑本身作为人类最宏大、最复杂、最耐久的文明产物之一,也正在经受着新技术的冲击与洗礼。一如工业时代的钢材料带给世人的震撼,纤维材料在经过了当代数十年的发展与沉淀,具有着在模量、重量、刚度、耐高温等理论属性上前所未有的优势。然而,对于这种新兴材料在实践性的推崇与质疑,如近代伦敦水晶宫诞生前一般如火如荼。另一方面,人工智能这个名词更是被世人推向了风口浪尖。人工智能的蓝图旨在创造一种与人类智慧相似的技术进行全自动的生产建造。目前,人工智能可通过对语言、图像的识别进行分析与处理并作出程序化的反应。这项技术在西方各大建筑学院已经成立研究课题,以期将人工智能技术结合到建筑设计与建造,并探索出一种成熟的、具有实践性的智能化设计与建造方式。德国斯图加特大学建筑学院 (ITKE) 与计算机设计学院 (ICD) 的落成项目则是目前对新兴技术在建筑领域的实践案例中较为典型且成功的。他们将新兴纤维材料代入智能化设计过程当中,并将设计结果以程序形式编入机械臂进行智能化建造。这些建筑原型探索了新的计算设计、模拟和制造过程在建筑中的应用潜力。下文将通过新兴材料构成、智能建造方式、智能设计思路三个方面解析ICD/ITKE的科研项目“翅鞘纤维亭”和“仿生研究馆”.
  
  1.1 翅鞘纤维亭--新兴材料构成与智能建造方式
  
  翅鞘纤维亭是ICD/ITKE于2016年在维特拉设计博物馆室外部分展览的参展项目(图1)。展览主题即“人类与机器人共同设计”.这一研究成果在2017年在伦敦维多利亚和阿尔伯特博物馆(Victoria&Albert Museum)相继展出。研究团队认为:此研究项目从设计、材料、施工方面均为当代新兴技术,且仅停留在理论阶段,少有实践项目落地,这既是一场巨大的挑战,同时也是一个机遇来证明纤维材料与人工智能制造技术具有在建筑领域扮演重要角色的潜力。
  
  纤维材料除去在各项理论属性的优势外,在建造时的可塑性更是极强。纤维材料初始状态柔软,而其优越的属性是在与后刷树脂的化学反应中固化而成。ICD在建造过程中使用了碳纤维与玻璃纤维相结合的编织方式来中和碳纤维的过度刚性,其理论形式正是参照钢筋与混凝土构成原理。装置的顶部由40个六边形的模块单元组合而成,并由7个同样由纤维材料编织而成的柱子支撑。其中顶部的单一模块单元平均重量仅有45kg,整体装置的重量仅有2.5t.这一成果证明了重量少于9kg/m2的轻量型结构是可能的。
  
  由于项目结构由基柱支撑的若干独立模块组成,每个模块的编织路径被算法定义后由电脑编程控制的机械臂制造而成。机械臂将被树脂浸泡但尚未固化的碳纤维和玻璃纤维搭入预制的六边形脚手架上的孔隙,而后循环此方式完成编织。这种高密度孔隙的编织体最后形成的形态是由编织过程中牵引压力的不断变化而成的,ICD/ITKE预先在计算机结构模拟中调整和优化了编织路径。为了制造几何上独特的双弯曲模块,开发了一种机器人无芯缠绕方法,该方法使用两个协作的6轴工业机器人在两个由机器人固定的定制钢框架效应器之间缠绕纤维(图2)。当效应器定义每个组件的边缘时,最终的几何图形是通过随后铺设的纤维的交互出现的。纤维首先在两个效应器框架之间呈线性拉伸,随后缠绕的纤维彼此作用拉伸。这种纤维之间的相互作用使纤维缠绕而成整体产生曲面。纤维缠绕的特定顺序使每根纤维的布局决定了整体造型,从而实现材料驱动的设计过程。这些材料、形式、结构和制造之间的相互作用是通过编程模拟来定义的,由此可见,纤维材料的灵活性在程序化、智能化的建筑设计与建造中所赋予的潜力与多样性。
  
  图1 翅鞘纤维亭

  
  图3 仿生研究馆

  
  设计团队认为:“翅鞘纤维亭的完成,使我们能够见证一个智能的、当代的、综合的设计方式与建造模式的实现,从而形成一种与众不同的空间和美学体验的产物。”在建造上,项目结构的产生与优化是建立在实时数据的反馈上,展示了对于新兴技术意义深远的影响;在设计上,新兴纤维材料不仅展示了其灵活性对设计方式的新启发,更建立了与人工智能领域的新联系。设计团队通过这种方式发掘着属于当代的新建筑和新工程的可能性,而这也许会在未来转变整个建筑环境。
  
  1.2 仿生研究馆--智能设计思路与建造模式
  
  ICD/ITKE在2015年建成的仿生研究馆占地面积约40m2,跨度7.5m,高度4.1m,总建筑重量仅为260kg,相当于6.5kg/m2的重量(图3)。该项目探索了一种全新的设计思路:其设计灵感启发于水蜘蛛的巢穴搭建过程。设计团队首先对水蜘蛛的结网过程进行了分析并以程序化的方式进行模拟。为了生存,水蜘蛛会在其吐出的气泡中等待猎物;而后水蜘蛛会从内部以层层叠加的形式布网来增强气泡的稳定性。通过模拟这一自适应性极强的自然生长过程,项目将建筑环境(如风力、应力等)编程代入模拟生长模型以创建有效的纤维增强结构。为了确定和调整纤维布局,设计团队开发了一种基于编程模拟的设计方法。与蜘蛛工作类似,数字代理将引导表面外壳几何体的生长,生成用于纤维放置的机器人路径。代理行为是从各种相互关联的设计参数衍生而来的。这种计算设计过程使设计人员能够同时将这些设计参数集成到不同的性能纤维走向和密度中。
  
  图2 机械臂程序化建造

  
  图4 自适应智能化建造过程

  
  图5 碳纤维与玻璃纤维材料

  
  图7 纤维结构垂直荷载试验

  
  为了将这种生物形成序列转移到建筑应用中,设计团队开发了一种将工业机器人放置在由ETFE制成的气支撑膜外壳内的工艺。这种膨胀的软壳最初是由气压支撑的,不过,通过碳纤维加固内部,最终成为一种自支撑的单体结构(图4)。这就形成了一个对材料高效利用的施工过程。这一研究也证明了纤维编织不需要复杂的模板,并且其可塑性能够适应各个结构的不同需求,并使用最少最轻的材料实现结构稳定性。同时,为了适应制造过程中气压软壳刚度的变化以及纤维铺放过程中产生的变形等参数变化,机械臂安装了嵌入式传感器系统记录当前位置和接触力,并实时集成到机器人控制中。这种网络物理系统的开发允许在实际生产条件和机器人控制代码的数字生成之间持续反馈。这不仅代表了该项目背景下的一个重要发展,而且更普遍地为自适应机器人构造过程提供了新的机会。
  
  ICD/ITKE研究馆是先进计算设计、仿真和制造技术的示范馆,展示了跨学科研究和教学的创新潜力。此项目将纤维复合材料的特征作为一种新的建筑形式来表达,并以一种新颖的纹理和语言来反映新兴纤维材料在建筑领域人工智能中的应用成果。
  
  2 纤维材料在建筑结构上的试验与探讨
  
  尽管ICD/ITKE以及世界上诸多团队探索了纤维材料在建筑领域的创新应用,但在其理论属性是否适用于建筑领域、其过刚的受力特性等方面仍然倍受学者质疑。本章节提出了碳纤维和玻璃纤维材料性能以及其在建筑领域的适用范围的一般性研究。
  
  碳纤维,也称为石墨纤维,是直径约5μm的纤维细丝,不足人发的1/10.碳纤维是当代最具创新性的材料之一,具有重量轻、热膨胀小、拉伸强度和刚度极高、耐热性高、极其优越强度与重量比等优点。这些材料特性使得碳纤维在西方开始被试验并应用于各种研究领域,包括建筑设计和土木工程。一般来说,成千上万束的单根碳纤维长丝以互相缠绕的形式同方向连续卷绕以形成束状整体。目前应用最广泛的使用为碳纤维丝束来编织成一个表面(图5)。然而,碳纤维的原子结构与石墨本身极其相似。该结构由碳原子片以规则的六边形图案构成。这种结构的唯一改变就是这些片材的互锁方式--这些石墨纤维片材之间的分子间压力是范德华力,范德华力产生强度的相对短缺。同时,由于碳纤维趋向于产生极高的抗拉强度和高的杨氏模量,这意味着在压力下的显着刚度。这些材料的特性使碳纤维具有脆性。由此,碳纤维只有在与复合材料中的其他材料结合时才能产生其极其先进的性能以面对驳杂的建筑需求,该复合材料要用树脂浸渍和烘烤以生产FRP (纤维增强聚合物) .玻璃纤维类似于碳纤维,由成千上万玻璃纤维丝构成(图5)。因为玻璃纤维几乎不含空气,所以它密度更大,导热性更好。材料的性能也可以与其他类型的纤维,特别是碳纤维相比。尽管玻璃纤维不提供与碳纤维类似的强度,但它在应用于组合物时具有显着的柔性和较小的脆性。因此,玻璃纤维通常用于大多数纤维长丝的加固,以便构建一种极度刚性和轻的结构复合体,称为玻璃纤维增强塑料(GRP)。与碳纤维相比,玻璃纤维在应力作用下断裂前可以经历更多的延伸,更细的玻璃纤维长丝甚至在断裂前可以进一步弯曲。
  
  近代的技术进步为建筑业引进了钢这种性能卓越的材料,在对纤维材料的受力实验中,其性能与钢对比是否呈现出优越性将是回应业内对纤维材料质疑的最直接途径。在理论上,碳纤维具有三倍于钢的高抗拉强度。然而,由于碳纤维的杨氏模量极高,导致其相对脆性。为解决这一问题,斯图加特大学在研究中提出了复合纤维的结构性用法--虽然玻璃纤维不及碳纤维那样坚固或刚硬,但是当与碳纤维结合使用时,它显着较低的脆性可弥补碳纤维的这一性能障碍。由于碳纤维和玻璃纤维的在理论中呈现出卓越的材料性能及属性的互补可能,笔者又进行了一系列的技术试验以对比两种纤维的不同配比与钢的受力情况对比。具体而言,试验包括水平弯曲试验和竖向载荷试验,下文将分别论述。
  
  图6 纤维结构水平弯曲试验

  
  2.1 水平弯曲试验
  
  此实验利用卧式弯曲试验机,将通过8个试样对比钢和复合纤维结构的材料性能,比较它们的弯曲公差。所有的样品都具有相当的体积,然而,同体积的钢柱比纤维柱平均重约47倍。这台机器给每个样品5t的压力作为钢柱的样品1完全弯曲,变形量为4.2cm(图6)。这种程度的变形表明钢材不能承受5t的水平压力。样品2、3、4和5由碳纤维单独组成。样品4含有3层碳纤维,完全断裂;然而,样品5具有5层,可以承受5t的压力而不断裂变形。值得一提的是碳纤维在受压后会回弹到原来的形状。虽然样品2和样品3分别具有4和5的相同层,但它们仅在干燥2天后弯曲,而不是样品4和5的10天。这种情况说明即使纤维长丝完全干燥固化,其性能在之后的一段时间还会有显着提升。总之,与钢相比,5层钢具有完全的优越性,而且大部分回弹不会断裂。样品6、7和8由复合材料中的碳纤维和玻璃纤维制成。样品6由3层玻璃纤维和2层碳纤维组成,受到了永久的变形破坏。结果表明,2层碳纤维的刚度不足以形成结构原型。因此,为了保持5层的总厚度,样品7将碳纤维增加到3层,而将玻璃纤维减少到2层,由于半断裂而没有变形,因此碳纤维仍然较少提供支撑。因此,样品8最终提出了具有4层碳纤维和2层玻璃纤维的柱,该柱成功地承受5t的压力而不会断裂和变形。该组原型试验证明,当玻璃纤维达到2层,碳纤维部分增强达到4层时,碳纤维的比例可以使整体结构在受压后回弹到原来的形式,玻璃纤维又帮助整体缓冲压力,避免粉碎,二者结合的强度是钢的10倍左右。
  
  2.2 垂直载荷试验
  
  竖向荷载试验研究选择具有5层碳纤维的样品5和具有2层玻璃纤维和4层碳纤维的样品8与钢柱进行类似的比较(图7)。当竖向荷载作用在钢柱上时,它产生了3.5mm的永久变形(超过10%),被证明不足以作为结构使用。样品5表示永久开裂的结果,虽然它回弹并产生1.5cm的变形,但由于在实际世界中该开裂将导致坍塌,因此仍然失败;此外,遇到垂直压力的区域完全分裂,这证明了碳纤维的脆性。然而,样品8只产生0.3mm的永久变形,没有任何断裂或分裂区域。值得一提的是,采用2层玻璃纤维和4层碳纤维的复合材料结构重量只有钢结构的1/68.
  
  综上所述,基于纤维材料本身的属性优势和编织结构优越的可塑性和适应性,纤维结构可以承受更强的力同时保持极轻的重量。而碳纤维与玻璃纤维在以合适的比例组合编织后,其复合结构既弥补了碳纤维的过刚性以及易碎性,其本身的受压后回弹效果更让纤维复合结构具有在多方面优于钢结构的优势。更重要的是,基于两种纤维材料的互补属性,不同的比例组合可适应千变万化的建筑结构要求与环境影响。
  
  3 新兴纤维材料智能化建筑实践的探索
  
  3.1 智能化建造
  
  虽然上一部分中探讨了纤维材料在结构上的属性优势以及实际应用中的可行性,但该材料的形态特点决定了人工操作的实施难度,从而束缚了其在建筑领域的推广与发展。然而ICD/ITKE的应用案例对此给出了解决方案:利用人工智能技术将编织路径编入程序,并结合机械臂的使用进行智能化建造。
  
  目前,以ICD/ITKE为典型的前沿设计团队已经证明了纤维材料应用于智能化建造的潜力。机械臂通过感应器实时对接进度与误差,无疑比人工操作更加精准、高效。以翅鞘纤维亭为例,复杂的纤维编织过程将很难无误差地被手工完成;而双模块之间的精准配合更是不可能以手工形式制造。而以程序控制机械臂会使制造过程快速流畅地进行,使纤维材料的灵活性优势完美地体现出来,更使纤维材料编织结构体量的不可能变为了现实。
  
  更重要的是,以仿生研究馆为例,通过模拟水蜘蛛的结网过程进行设计,施工阶段的机械臂编织路径将会和设计阶段的生长路径完全吻合,这种建造方式无疑为复杂的纤维材料编织节约了大量的画图时间;诚然,此项目作为个例不足以涵盖所有施工情况,但其严谨的程序化预先“模拟施工”也会将繁琐的编织过程产生的误差降到最低。而误差降低所带来的优势更避免了材料的浪费进而降低建造成本。
  
  另一方面,翅鞘纤维亭的单一顶部模块的编织时间仅需要3个小时,编织总用时为14天,这种程序化、智能化的编织与手工操作相比极大地提高了效率、而模块化制造更是促进了工业化生产的发展,进一步降低了建造成本。正如ICD设计团队所说,机械臂智能建造作为一种高效的方法,被认为是未来建筑建造领域发展的重要方向之一;而纤维材料编织结构无疑会将这种高效建造方法的潜力发挥到前所未有的高度。
  
  3.2 模拟化设计
  
  人工智能技术的开发与进步在本质上是模拟、扩展、延伸已存在的智慧以及反应模式,其根源与起点始终无法脱离模拟的范畴。正如ICD/ITKE主持设计的翅鞘纤维亭和仿生研究馆,其设计本质都是模拟已存在的某种生物的思考或行为模式--翅鞘纤维亭的体量以及结构模拟的是翅鞘,而仿生研究馆则是复刻了水蜘蛛的结网逻辑。即使模拟化的设计逻辑仍旧停留在将某种无关于建筑所在环境以及建筑使用功能性质的智慧结果代入到建筑的创造与生长,但这种设计方式无疑可以将纤维材料的可塑性、灵活性、结构性潜力高效地发挥出来。与此同时,随着纤维材料的推广与发展,相信其设计逻辑也会演绎地更加成熟。
  
  结语
  
  总而言之,人工智能的精确性与高效性无论在建筑设计阶段还是建造阶段都可以促进纤维材料的实践应用。新兴纤维材料的智能化设计与建造,由于其结构的轻质性与可塑性对传统结构中“梁柱”概念的重新定义,是未来建筑发展趋势的一种可能性,相信通过不断的实践论证和技术创新,新兴纤维材料将会取得更广泛的应用与发展。
  
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