随着科学技术的不断进步，工业时代的种种新异已被习以为常，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4 5kg，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 图1 翅鞘纤维亭 图2 机械臂程序化建造 图3 仿生研究馆 图4 自适应智能化建造过程 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。 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。
图1 翅鞘纤维亭
图2 机械臂程序化建造
图3 仿生研究馆
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。 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。
