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跟自然致敬,向材料学习——哈佛仿生设计课程介绍第1张图片


为了帮助设计狗们更直观的了解海外著名建筑院校,Archidogs特别推出《海外名校的设计之道》系列文章。文章作者全部为在读或刚刚毕业于这些学校的优秀学子,通过切身经历带来他们的学习感受。排名不分先后,根据收稿顺序发布。
本期季欣分享他在哈佛的设计课心得。


人物

跟自然致敬,向材料学习——哈佛仿生设计课程介绍第2张图片


作为March II的学生,GSD的studio选择余地非常大,作为初来乍到的学生,这学期我选择了一门偏重微观出发的设计课,希望能拓展建筑师在人体尺度进行设计的视野,并建立从材料性能出发进行设计的价值标准。这门课的全名: Material Performance: Fibrous Tectonics & Architectural Morphology,主讲教授是Achim Menges,在GSD的秋季学期开展了有些年头了,作为仿生学和纤维材料技术科学的设计课,在GSD独树一帜,而今年很可能是最后一次,是以为记。

教授

Achim Menges教授自AA毕业之后就一直致力于计算机造型、生物机械工程和计算机辅助制造的整合性设计研究。他的工作因为协调了结构机械工程师、计算机工程师和生物学家,因此对于设计领域的贡献一直处于不可复制的状态,也正是因为这个状态,他的研究对于建筑学科的贡献有着矛盾的境地。一方面因为绝对独到的设计切入点,思想的贡献度不言而喻,另一方面因为绝对的高技派,是否产生了设计价值的泡沫值得商榷。

ICD(Institutefor Computational Design)是德国斯图加特大学的一个研究和教学机构,组织的老大就是Menges教授。顾名思义,这个机构致力于研究计算机辅助设计和建造在建筑设计领域的贡献。从2010年开始,这个机构每年会建成一个pavilion作为研究的实践成果和展示,到2015年已经是第6个年头了。而从2012年开始,每个pavilion的主题开始围绕纤维仿生技术展开。从ICD的官网(http://icd.uni-stuttgart.de/)上可以了解到详细的信息,这里就不一一介绍了。但值得一提的是,从12年到15年至今,每一个pavilion都有着对于仿生和技术建造上的新理解,可以说从一开始表面上和理念上对生态的模仿到后来从内核上到操作上的模仿,这一变化在这几年的pavilion的实践中还是很明显的。而这一理念和技术上的进步也体现在了与德国本土研究机构同步开展的在哈佛的设计教学上。



这是2014年pavilion的宣传视频。这一年的主题是向水下蜘蛛学习。这种水下蜘蛛通过不断地吐丝强化水下的小气泡,以此来构筑自己的水下生活场所。蜘蛛吐丝的位置取决于气泡壁薄弱的环节,而吐丝的结果又会同时作用于气泡的形状。这样一个反复的状态正是设计与建造同时作用于对方的体现,而非单纯的从设计到建造的单向逻辑。ICD试图通过计算机模拟、机械手臂辅助建造以及碳纤维材料的联合应用,模拟这一生物建造过程,创造了一个无法预料最终形态的构筑物。

Menges教授于2009年就在哈佛任教,从我了解到的设计结果来看,这门设计课也随着时间的推移一直在调整自己的教学框架和内容。Menges作为主讲老师一方面希望学生可以摆脱之前的教学成果,走出自己的一条新路出来,另一方面对于可教内容的容量如此之大的项目,他也希望可以将之前的教学成果尽可能多的教授出来,这样每一年的设计的层面可以有所进步。例如相比较去年的项目,今年Menges希望我们能更多的推进到建筑的尺度,探讨最后建造的可能性,这就导致了我们前期的基础性研究处在了一个工作量大、周期短的境地中。


Studio

这个studio和德国ICD的研究是并行的,无论是设计课题还是研究课题,这其中的价值内核可以通过回答两个个问题来归纳:第一,为什么要仿生?第二,为什么要用纤维材料?

为什么要仿生?在建筑学中,材料是廉价的,形式是昂贵的;而在自然界中,材料是昂贵的,形式是廉价的。生物界的运作的根本目标是为了生存,为了生存而“费尽心机”地积攒能量,能量却可以“不由自主”地转变为形式。相反在建筑学中,不断提高的生产力可以更快更简单地造出基本的材料,而如何组织这些材料成为更好的形式则需要动用更多的心智和时间。因此在这个studio的语境下,学习生物界,是为了在拥有“廉价”材料的同时,我们可以更加“轻而易举”地得到形式或者结构。简单地说,我们希望借鉴的是方法,而不是形式。

为什么要用纤维材料?在自然界中,几乎一切的承重骨架都是纤维材料,例如骨骼或是枝干。作为链状分子结构的纤维,一旦两两相交具备摩擦力,纤维之中就会产生张力,而大量绷紧的纤维是具有很高的结构强度、灵活性和冗余度的。来看龙虾的外壳,各个部位的硬度很不一样,但是分子级别上却都是一样的材料。如此高度整合的表皮结构却拥有如此的各向异性,完全是因为分子排布方式的差异性决定了结构体的强度分布的差异性。

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自然界中的四种基本纤维:胶原蛋白、纤维素、角质素、丝

在工业生产中,纤维材料的使用其实已经非常广泛。常见的高强度材料都和纤维强化材料分不开,例如飞机机身、汽车身或者帆船船身。而在建筑领域,纤维的应用也有不少,但其实都局限在了模块化地处理纤维强化材料,例如GRC挂板幕墙,或者局限在了增强已有建筑构件类型的强度这样的应用方向上,例如强化的墙体或者结构。

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Carbon Fiber Tower,Peter Testa, 2002碳纤维塔楼的概念方案,充分利用了碳纤维的高强度性能而形成的新的建筑结构形式。

“你对砖说:‘砖,你想成为什么?’砖对你说:‘我爱拱券’。你对砖说:‘你看,我也想要拱券,但是拱很贵,我可以在你的上面,在洞口的上面做一个混凝土过梁。’然后你接着说:‘砖,你觉得怎么样?’砖说:‘我爱拱券’。”充分尊重建筑材料的特性表达,这是建筑学科自上而下设计的基本方法中一直需要且一直被忽略的地方。在这个课程中,正是希望从材料出发,由生物学中的基本现象出发,自下而上地探讨设计的可能性,并最终运用到可建造的层面。

Studio对于我们的技术支持是相当充分的,从材料、机械手这样的硬件,到德国过来专攻材料科学的工程师这样的软件,都为我们考虑地十分周全。课程安排上,老师对于我们并没有严格的方向限制,放任自由的管理意味着把基本的知识原理告诉我们以后,剩下的工作都需要自己完成,老师只是辅助,帮助我们明确方向。

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通过机械手臂进行纤维编织。

作为背景知识和学科框架如此庞大的一个课程设计,一学期的时间其实远远不够。根据课程的安排,对于生物学、材料工程知识甚为匮乏的我们在刚开始恶补了相关知识。这里简要介绍一下我们如何把纤维材料的工业应用方法带入该课程的。我们主要使用碳纤维、玻璃纤维、树脂和固化剂这几种材料。树脂和固化剂按照一定比例混合后涂在纤维材料上,在一定时间后会“固化”碳纤维,使其具备结构性能。微观层面上是因为有机和无机两种高分子化合物在脱水作用下造成了链状分子中的拉力,从而具备承重的能力。

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从左到右:碳纤维、玻璃纤维、树脂固化剂、树脂

设计过程

我们的探索从一个有趣的自然现象出发,即一切自然界中的形式都是无法预测的,设计和生产几乎是同时在交互。这种不可预测性来源于生命形式在面对自然和自身复杂条件时的自主调控。对于这种具有智慧的生成过程,我们最初的考虑是希望可以专注于某一具体的生物体,然后用纤维材料进行建筑层面的模仿。可是在课程设置中,这在操作层面上对于技术要求过高,所以我们曲线救国希望从材料自身特性出发,在概念上去模拟生物界中的这种现象。我们从纤维之间的受力关系出发,希望寻找一种结构系统,由于受力作用和材料特性发生多维互动关系,因而它可以使得最终的形态具有一定的不确定因素,从而实现设计过程和实现过程的互动。

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我们把结构系统分成两类,一类是硬控制系统,纤维准确地受制于骨架的预设。

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另一类是软控制系统,纤维的运动受到限制,但同时会根据自身特性和受力环境发生不可预测的变化,这也是我们主攻的方向。

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我们探讨了9类软控制系统,从最开始的线性控制、体积控制、表面控制最终回到线性控制,受力关系从简单到复杂再被简化,层层递进,不断朝可建造可施工的标准靠近。这9类软控制系统分别是:线性控制1(可移动骨架/可折叠骨架/灵活骨架)、体积控制(电磁场/表面张力和磁力/表面张力和重力)、表面控制(表面收缩力和抗弯作用力/表面收缩力、抗弯作用力和表面张力)、线性控制2(抗弯作用力和轴向拉力)

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表面张力作用下,碳纤维可以形成结构效率极高的薄壁结构形式。

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不同图案下的抗弯作用力与同样的布料收缩力作用下的形式生成研究。

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采取三明治夹心的技术手段,将碳纤维纸张的表面张力、碳纤维的抗弯作用力、纤维布料的收缩力整合处理。

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最终两个模型的内部效果。左图是表面收缩力、抗弯作用力和表面张力共同作用下的技术优化结果。右图是左图的可施工版本,将表面力拆解成局部的线性力,边施工边调整以适应现场状况。

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图案的细分方法和施工进程的简要图解。


后记

Studio结束以后总的感觉是时间还是太短。小组的磨合、生物学科的理解、技术上的学习都需要大量的时间。而没有边际和探索以及不断地总结和进行判断则需要更多的时间和精力。我们普遍认为如果这是一年的课程,那么成果将会更加地深入和具体,一方面会找到更准确的生物参照,以改良技术,另一方面也会综合考察各个步奏中的优势,整合到最终的施工方案中去。

即便是Menges教授,依然承认这样的建筑设计方式在德国是没有办法普及的,越是高技术的建造,政府对于它的规范限制越是严格。放在国内,如果放在纯粹的理性的建筑学科框架中,这样的设计尝试是十分有益的,从材料构造到空间的营造都从十分本源的角度进行了探索,整个课程几乎不会用到CAD,因此还被戏称为纺织女工studio。但是如果考虑到为什么要建造,我们如何理解建筑等这些文化因素,这样的技术探索是否在推行技术的全球化道路上走的太远,忽略了人文精神确实依旧值得讨论。

最后,需要感谢我的组员:霍飞蛟、苏曼、Junko(日本)。我们机缘巧合的组成了团队,夜以继日地相互学习和工作,为这个团队和整个项目贡献了很多灵感和汗水。没有他们,也不会有以上这些文字。

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去年的成果展示

-THE END

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