人工智能通过互联网、虚拟现实、机器智能等算法技术飞速刷新着社会认知, 而建筑业作为传统行业, 应如何吸纳新技术以打破自身局限并实现提升, 是我们每个从业人员应思考的问题。

建筑学正在和结构学、材料学、计算机科学, 甚至机器人产业带来的机械学、生物学进行深度融合^[1], 数字设计与智能建造颠覆了传统的建筑模式, 为行业的变革指明了方向。西岸人工智能峰会B馆 (图1) 就是在这样背景下的一次数字设计与智能建造的实践。

项目场地位于后世博时代上海徐汇滨江西岸, 紧邻西岸艺术中心、西岸美术馆、油罐艺术公园等西岸艺术空间 (图2) 。伴随着人工智能科技产业的集聚, 艺术与科技的融合成为新时期发展下西岸滨江城市建设的全新话题。在此背景下, 西岸迎来了世界人工智能大会 (WAIC) , 西岸人工智能峰会B馆项目于2018年4月启动设计, 6月开始建造, 9月顺利实现了8 885m²会展空间的呈现 (图3～5) 。

项目最大的挑战来自紧迫的时间, 场馆的设计与建造仅有100天。但挑战同时也意味着机遇:建筑设计从整体思路上打破了常规会展建筑的设计建造方式, 以轻型建筑预制化快速建造实现, 结合数字设计与智能建造方法, 建筑实现了材料、结构与形式的优化——会议场馆主体以三个模数化的轻铝排架结构实现, 休息庭院屋顶通过两个轻质钢木复合网壳结构实现 (图6) 。

考虑到会展建筑的建造和使用特点, 轻型建筑在会展类型的建筑设计中拥有巨大的优势和潜力^[2], 弗雷·奥托和坂茂作为轻型建筑的代表建筑师, 都先后尝试了轻型建筑在会展建筑中的创新应用 (图7, 8) 。

在场地布局方面, 三个矩形会议空间首尾扭转相接, 与周围城市肌理相契合, 会议空间围合出两个三角形庭院。整体空间布局呈现出一种通用性, 建筑可以灵活适应未来展览、峰会、论坛等使用功能:三个主要功能空间既可以单独租用, 又可以连通使用;两个共享庭院在平时可全开放形成城市口袋公园 (图9) , 在会展活动期间既可作为展示空间, 也可作为辅助的缓冲与休憩空间。

建筑整体设计实现了轻盈、通透的开放空间 (图10) , 同时我们也考虑以极具科技感和标识性的数字展亭打造有吸引力的城市开放空间:建筑主入口广场放置德国Achim Menges教授团队制造的机器人碳纤维编织展亭 (图11) , 主庭院放置Fab Union制造的机器人3D打印咖啡亭 (图12) 。数字展亭是建筑数字设计与智能建造的前沿探索, 展现了新兴技术对于建筑产业的深远意义。

考虑到时间有限, 三个会议空间通过瑞德尔装配式展览建筑篷房体系实现, 采用模块化装配的铝合金排架结构。虽然篷房体系仅能满足临时建筑的要求, 但其呈现出的简洁结构几何逻辑、刚柔结合的高效结构构件组合、模块装配等特点, 可以实现高效结构和快速建造, 是短周期、低成本、环保节能的解决方案。

跨度30～40m、边高7.2～8.4m的三个坡顶排架帐篷可以满足会议空间需求, 单榀排架单元通过檩条、斜撑连接实现轻质大跨空间 (图6) , 可自由灵活分隔大跨的通用空间以满足展览和会议需求 (图13) 。

立面和屋顶的围护体系通过差异化设计实现建筑功能流线、立面形象、节能减耗的综合要求 (图6) , 通过精致化的十字钢龙骨体系和聚碳酸酯板结合的半隐框幕墙来提升立面品质 (图14) , 屋顶以双层膜系统增强建筑的热学性能。

篷房体系的结构材料包括铝合金、钢铝型材和钢型材, 提供适用于不同定制方案的最优材料, 通过结构模拟计算, 排架会议空间可以通过铝合金型材实现。铝合金作为超轻的新型结构材料, 比相同条件下的钢结构轻1/3。通过数字模拟计算, 铝合金排架的构件截面可优化为355mm×124mm的通用型材, 实现非常轻巧的结构设计。

模块化轻铝排架体系的优势在工业化快速建造方面更为明显。所有构件在工厂预制, 现场安装连接为单榀排架单元后通过机械吊装为整体结构 (图15) 。结构体系和围护体系均可通过预制化快速建造实现, 最终6 700m²的会议空间得以在两个月的时间内完成建造。

两个庭院空间通过钢木复合网壳覆盖, 2 000m²的双曲面钢木复合网壳的预制加工与现场装配在两个月的紧迫建造时间内完成, 网壳最大跨度达40m (图16) 。网壳结构是一种通过双曲率获得强度和刚度的高效大跨度结构系统, 然而双曲面设计和建造的复杂性给网壳的实际应用带来了限制^[3], 不过数字技术提供了打破这种限制的可能。从设计上讲, 数字找形工具和数字分析模拟工具的发展使网壳形式的合理设计成为可能;从建造上讲, 工业化生产由粗犷化向精细化的转变促生了建筑“工厂定制化构件制造+现场装配”的建造模式^[4], 以支持双曲网壳结构的建造实现。

三角庭院在空间上被两侧的矩形会议空间所限定, 在边界条件基本确定的情况下, 网壳既要满足适合的构件尺寸, 又要保证支撑条件与两侧排架柱网相协调。通过集成结构生形算法的Rhino插件Kangaroo, 将输入的边界条件与力学优化参数关联, 可快速实现网壳的结构性能化找形, 在不同边界条件的多方案比选下, 最终确定了将网壳屋盖系统与竖向支座系统分离进行力学找形的方案。网壳屋盖系统与竖向支座系统力学不连续的矛盾通过钢木构件混合使用的方式化解 (图6) :网壳屋盖以环向钢桁架和角部钢拉索作为构造约束, 以抵抗网壳的水平向侧推力。最终得到的屋顶形态呈现整体漂浮的状态, 不仅实现了限定条件下的理想空间和形式, 曲率平缓的网壳也有利于钢木构件的加工与建造。

网壳屋顶通过交错布置的梁拟合双曲面屋面, 交错布置的木梁可以实现网壳的半刚性连续, 自由曲面的非标节点建造是节点设计和优化的核心。基于减少胶合木用量、增加现场建造的误差消解能力、提高节点刚度三方面考虑, 结构工程师与建筑师共同提出了以直的木梁拟合网壳曲面 (图17) , 同时将单个直梁优化为厚度50mm的竖向中空叠合双梁, 节点处双梁以对穿螺栓和现场开孔的自攻螺钉连接 (图18) 。

经计算分析, 木梁梁高400mm即可满足受力要求, 但为了减少节点类型, 木梁梁高统一调整至500mm, 这样不仅可以实现网壳屋面结构合理、加工快速精确及现场装配, 也能够实现网壳屋面完整简洁的空间效果。

网壳屋顶基于数字模型进行建造, 在两个月的紧迫时间里完成了2 000m²空间异形双曲面网壳屋顶的预制加工与现场装配。数字工厂快速、精确地实现了差异木梁和木垫片的全自动化加工, 钢桁架、钢梁系统和异形钢柱的加工与焊接也在工厂预制完成。现场装配与建造过程搭设了满堂脚手架作为操作平台和定位基准网格, 以实现复杂双曲面木网壳的安装调整和精确建造 (图19) 。

共享花园中, 我们通过机器人3D打印技术, 使用环保材料——改性塑料, 建造了3D打印咖啡亭及其内部的3D打印隔墙、吧台、家具 (图20, 21) 。3D打印咖啡亭采用大尺度空间打印的工艺进行建造, 使用特定的编程语言生成面向建造的连续空间网格, 充分融合结构性能化分析技术, 力求做到整体结构最轻、用材最省。大尺度空间打印技术将在建筑复杂空间结构、异形模板等方面拥有广阔的应用前景。

3D打印咖啡亭的形式通过算法生形实现。首先根据场地关系确定咖啡亭轮廓和基础平面网格线并细分网格, 以庭院空间的人流动线扰动网格, 可得到用作生形的网格线, 通过Grasshopper的插件Kangaroo进行结构找形可得到构件的空间位置。

在深化设计中引入结构拓扑优化技术, 并综合考虑打印效率和结构性能, 实现了不同刚度、不同重量的3D打印单元网格, 不同疏密的空间打印单元路径是算法设计生成的, 可实现整体结构优化。同时, 深化设计还需要考虑机器人建造工艺的限制, 进行合理的运动路径规划, 以避免打印路径碰撞及打印环境变化带来的限制, 从而再次优化整体网格^[5]。

Grasshopper的插件Kukaprc在虚拟环境中模拟了实际建造过程以实现控制, 并将模型转化为加工代码。3D打印咖啡亭充分展示了机器人的空间运动能力带来的建造优势。作为一个开放的、面向“数据”的工具平台, 机器人实现定制构件建造可以很好地控制时间与成本, 咖啡亭主体结构及其附属的物品都在工厂通过机器人预制完成建造, 总耗时3周。

建筑入口广场的碳纤维展亭Elytra Filament Pavilion (图22) 由德国斯图加特大学计算机设计学院 (ICD) 和建筑结构设计学院 (ITKE) 联合设计建造, 开拓性地融合了建筑学、工程学和仿生学的原理, 并通过现代的综合设计方式实现, 其高技术、高效能的仿生形态极具科技感, 展示了新兴技术的意义和深远影响^[6]。

在先进的计算设计、模拟和制造技术的帮助下, 丰富的生物学资源可以被用于探索设计和工程中自然系统的基本工作原理, 作为斯图加特大学Achim Menges碳纤维展亭的系列探索作品之一, Elytra Filament Pavilion探讨了生物纤维系统如何转移到建筑。

200m²展馆的结构灵感来自于自然界中的轻质结构原理, 其中最主要的是一种在甲壳虫前翅上发现的纤维状翅鞘结构。通过将轻质结构形式转译为具有适应性的、不断增长的树冠形式, 以实现展亭形态扩展并适应半户外城市绿地。

该装置的纤维复合结构由模块化的六边形基本单元构成, 单元由项目团队开发的机器人缠绕纤维工艺制造, 透明玻璃纤维形成空间支架, 在其上施加主要结构的黑色碳纤维提供必须的硬度和强度, 纤维增强复合材料 (FRP) 以各向异性的卓越结构性能实现轻质结构体 (图23) 。由于机器人制造过程能够实现差异化的形态建造, 每个顶篷单元设计都考虑了其特定的荷载条件, 通过其纤维排列密度和方向的变化实现结构适应性, 形成轻质有效的结构, 其平均重量仅为9kg/m²。

Elytra Filament Pavilion模块化轻量级的纤维复合建筑系统由两台协作机器人缠绕纤维制造, 使用了当前世界上最先进的建筑智能制造技术, 与其他大多数复合材料制造工艺相比, 机器人缠绕纤维不需要任何模具即可实现快速建造, 占地200m²的起伏顶篷 (包含40个各不相同的六边形构件单元) 平均制造时间大约为3h (图24) 。

西岸人工智能峰会B馆通过模块化的轻铝排架场馆、钢木复合网壳屋顶、3D打印服务亭、碳纤维展亭的设计与建造, 探索了未来的建筑设计和建造方式:建筑和展亭以一套整合材料系统、性能化参数、建造方式的数字设计方法实现了设计, 并以超轻型、快速准确的智能建造技术进行建造, 实现了工业化、智能化的具体实践。建筑和展亭呼应了人工智能峰会的主题, 同时提升了西岸滨水开放空间的独特性和吸引力。

西岸人工智能峰会B馆

业主:上海西岸开发 (集团) 有限公司

建设地点:上海市徐汇区

建筑设计:上海创盟国际建筑设计有限公司

项目负责人:袁烽

设计团队:韩力、金晋磎、林磊、黃金玉、张啸 (建筑) ;张准、沈俊超、黃涛、王瑞 (结构) ;何福孜、唐静燕 (室内) ;俞瑛、王勇、魏大卫 (机电) 数字建造:上海一造建筑智能工程有限公司

数字建造:上海一造建筑智能工程有限公司

总建筑面积:8 885m²

结构形式:钢木混合结构、轻铝排架结构

设计时间:2018.04～2018.07

建成时间:2018.08

摄影:田方方

西岸人工智能峰会B馆3D打印服务亭

业主:上海西岸开发 (集团) 有限公司

建设地点:上海市徐汇区龙腾大道

数字设计、建造:上海一造建筑智能工程有限公司

主持建筑师:袁烽

设计团队:张立名、金晋磎、徐纯、高思捷、黄桢翔、李策 (建筑) ;张立名、张雯、王徐炜、彭勇、徐纯、高思捷、黄桢翔、李策、万智敏 (数字建造)

设计时间:2018.04～2018.07

建造时间:2018.06～2018.08

摄影:田方方

碳纤维展亭

数字设计与建造:德国斯图加特大学计算机设计学院 (ICD) 和建筑结构与结构设计学院 (ITKE)

设计团队:Achim Menges、Moritz Dörstelmann (设计) ;Jan Knippers (结构工程) ;Thomas Auer (气候工程)

摄影:田方方