机器人混凝土力学打印 Intelligent Force Printing / 袁烽 + 皇家墨尔本理工大学

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皇家墨尔本理工大学建筑学院特邀袁烽为客座教授，开设研究生设计课程“INTELLIGENT FORCE PRINTING”，设计课程通过结构性能化设计，探索机器人混凝土3D打印作为结构部件在建筑设计领域的应用。旨在改进增材制造技术，尤其是大型混凝土3D打印技术。借助数字设计和先进的制造技术，如三维图形静力学、双向渐进结构优化和 FURobot机器人模拟仿真软件，学生能够发展他们的设计思维、方法和实际建造技能。

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该结构原型的特点是探索多工具协同的合理性，特别是PolyFrame和Ameba，需要克服的挑战包括非均匀、非平行层积打印和材料约束下的组装困难。结构原型位于Archi-Union（上海创盟国际建筑设计有限公司）办公室的院子里，尺寸约为6×6米，高3米，所有分块均由3D打印机器人制造，只用混凝土材料。 

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设计灵感来源于自然界中存在的真菌，它们往往有细长而有力的腿作为支撑，还有一个巨大的悬臂头。根据这些结构特征和独特的美学，菌类被作为设计方案的初步概念。通过这些研究和探索，亭子被设计为三柱结构，它的三个部分可以相互支撑，形成一个稳定的三角形亭子，而不需要任何不必要的外力支撑。为了在美学和可制造性之间寻求平衡，团队通过PolyFrame、Ameba以及其他工具的协同来实现这一目标。

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在PolyFrame的设计过程中，设计理念从整个形态开始，而不仅仅是其中一个角。目的是根据其可能的形状建立精确的、最简单的几何受力图，以便找到最佳和最严格的形状，仅在亭子的腿和顶点上施加外力。为了使形体更加优雅，在保持几何受力图变化的基础上，继续做一些找形优化。首先，只对内部面进行细分，以生成更复杂的杆件。经过一些实验，中间的所有杆件被删除，只留下三个顶点旁边的杆件。

在PolyFrame的帮助下，团队在三维图形静力学的基础上创建了受拉构件系统。由于混凝土打印的限制，Ameba优化过程被引入到设计中。在相同的边界条件下，将部分构件的结果设置为非设计区域，然后使用Ameba算法。90次迭代之后，得到了一个基于网格优化的高效结构系统，它预测了最终展馆形状的基本材料分布，也增加了混凝土3D打印的可行性。

为了模拟Polyframe的运算结果，整个结构需要承受压力，在三根梁、三根柱的底座上增加了九根钢筋。添加钢结构后，根据受力分析和混凝土的可打印性，将整个结构分为18个单元。每个单元高度小于1500毫米，至少有一个水平面，最大坡度不超过45度。每条腿与横梁的连接分为四个部分，横梁顶部垂直分为三个相似的部分，同时受到三个方向的力，形成稳定的三角形受力结构。钢筋产生的水平预应力将三段挤压在一起，并在垂直方向对支腿施加压力，以保证结构的稳定性。

在这个项目中，应用了由Fab-Union（上海一造科技有限公司）开发的一种新型3D打印混凝土技术。混凝土以不均匀和不平行层积的方式打印。打印层与预应力拉伸方向正交，使结构单元内的各打印层能紧密地压缩在一起。

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为保证整个结构的稳定性，三根柱子的地基浇筑了砂浆。剩下的所有施工都是干作业，其余砌块之内未填充任何物体。因此，这个结构可以很容易地分离，也可以在其他位置重新组装成型。

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建成的结构体矗立在Archi-Union建筑工作室庭院内部，舒展的姿态与旧厂房木结构屋架实现了一种美妙的平衡，犹如三个人手拉手围着篝火跳舞，又如一个巨构向人们宣誓着它对这个空间的主导。

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非水平层积混凝土3D打印形成的独特纹理，让这个外表冰冷的人工石砌体多了一分细腻的柔情。

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