机械臂技术在数字建造中的应用——以编织形态为例

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作为建筑学人,我们手中的工具一直在变化,建筑学向复杂性和高整合度发展,数字技术及数字工具的深度介入理所当然。今天数字技术及其衍生物已经渗入建筑领域,建筑学在历经数字设计和控制工具发展之后,建造过程开始更多在工厂进行。机械臂的引入是建造方式的一次革新,建筑师需要具备建造方面的思维转向,去接纳数字时代的建造方式。未来设计师将完成从数字设计建模、加工路径编程、加工机械的控制等工作,一种崭新的“数字制造”或“智能建造”生产模式将要大规模出现。
  编织形态是一种对建筑设计很重要的特定几何体,在数字建造中具有独特的地位和特点。当代参数化设计方法使得编织建筑的设计和实践日趋增多,通常情况下编织形式的建造往往很难。如今在数字设计师主宰的“数字工厂”和“数字工坊”中,建筑师被编织的传统手工艺制造激发,在当代数字技术的支持下,把传统工艺操作同数字工艺制造结合起来,研究提出新编织结构体系可以使用机械臂编织工艺建造。基于机械臂编织工艺的数字建造把对编织的数字建筑探索推向一个新的高度。
  编织图形的建构特征和逻辑秩序一直是参数化建模与相关设计研究的重点。基于科学发展和计算机技术发展来探索、研究梳理编织图形的生形理论;继而以编织图形生形理论为导向展开编织图形的生形策略研究。使用机械臂编织工艺模拟传统手工操作实现设计、加工、建造的无缝衔接。运用Rhino、Grasshopper三维建模软件、KUKA|PRC数字建造软件、Kangaroo物理模拟引擎、Karamba力学分析软件从几何原型创建、性能模拟分析、建造路径规划等几方面阐述机械臂编织工艺的数字建造。
  本文首先对相关研究背景、研究对象及内容、研究方法等进行系统梳理,构建研究框架。其次学习国内外关于机械臂在数字建造领域的先进经验,梳理数字建造中编织形态的产生缘由、设计策略,建造方法,结合工业机械臂在制造业领域的定制化优势,提出将编织动作操作方式引入机械臂的加工工艺中。在实例研究中选取滑模技术结合机械臂编织工艺进行混凝土异形柱的生形探索。探索传统的滑模技术在新的自控工具下对构件形体表现的推动作用。新设计和施工的编织结构体系是一个整体系统的设计,构建,这个系统将设计和建造结合在一起,编织结构的建造完全基于数控机器人平台的运作。使用机械臂模拟编织动作进行有机曲线形式构建以及复杂连续曲面创建,进而表达复杂形式的编织空间。
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