本文转载自FabUnion
                                                                                             


超薄纸板大跨建构Cellular Cavity Structure for shells with thin sheet materials

Digital Future2017第六组：超薄纸板大跨建构组由来自德国达姆施塔特工业大学的博士研究生王祥带队指导。目标是通过利用超薄的纸板材料建造一个大型的壳体结构，来探讨和研究一种新的针对材料结构性能的壳体结构概念设计方法。

小组成员：刘江德，郭志滨，韩旭，徐赫言， 聂家鑫，何薇，李至，张力行，周静微，林誉婷，葛康宁，吴薇，官诗菡，史学鹏，白雪，段晓天助教：王祥（同济大学研究生，FabUnion）小编亲历氛围热烈的工作营现场，为大家带来本次工作营的一线报道 ↓

“双王祥”导师&助教组合  ▼



勤劳可爱的小组成员们  ▼



最新动态NEWS﹀﹀﹀

随着新的数字设计技术和结构找形技术的发展，壳体结构和轻型结构也越来越成为设计师不断进行尝试的热门课题。同时，随着工业技术和数字化建造技术的应用，更多新的轻型材料和基于个性化预制的结构类型正在不断涌现。



建构所采用1mm超薄纸材



建构的结构设计方式基于对纸的抗拉强度、弹性模量等性能参数的研究本次工作营课程计划是通过利用超薄的纸板材料建造一个大型的壳体结构，来探讨和研究一种新的针对材料结构性能的壳体结构概念设计方法，同时，课程也将回顾自上世纪到近期的壳体结构发展过程以及其设计方法的转变，进而探讨一种基于材料的性能化设计方法。最后，课程将提出一种新的壳体结构形态学设计思路，并探讨基于材料的形态学设计方法。



本次细胞化腔体结构的设计找形流程以及相关技术细节图解


Part1

2017.06.24开幕式+工作营介绍+基础教学

在同济大学建筑与城市规划学院钟庭报告厅的上海“数字未来”工作营开幕式结束后，第六组“超薄纸板大跨建构”的16位同学在王祥博士和王祥助教的指导下开始了本次课程的学习工作。学员们分别来自同济大学、天津大学、华南理工大学、大连理工大学、广东工业大学、海南大学、华中科技大学、美国Pratt Institute等高校，根据个人特色和擅长领域分为5个小组进行探究学习。



本次课程开始前小组前往同济大学建筑与城市规划学院机器人数字建造实验室以及同济大学创意设计学院Fablab实验室进行参观本次课程主要使用软件为Rhinoceros和Grasshopper及相关的kangaroo、lunchbox、weaverbird、Rhinovault等插件，最终成果建造材料以1mm超薄纸板为主，主要加工设备为五轴CNC、大尺寸激光切割机与3D打印机。




Part2

2017.06.25理论教学+软件教学

工作营第二日，王祥博士以“基于材料性能和结构形态学的壳体发展回顾以及壳体找形方法的理论综述”为主题展开理论教学，回顾了自上世纪到近期的壳体结构发展过程以及其设计方法的转变，同时介绍了基于离散化网络的纯受压（拉）的壳体内力平衡的找形方法。在大家对壳体结构的力学行为—诸如Kangaroo和Rhinovault等设计软件和其背后的力密度法，动态松弛法，粒子弹簧法和推力线网络分析法（Thrust Network Analysis）的数学原理——有了基本认识后，又给大家介绍了壳体找形常用的软件和思路。





理论课程教学记录







利用kangaroo插件的重力模拟作为拱的找形工具在第二日下午的设计营工作中，学员们运用所学软件进行设计探索。在各小组的设计尝试中，学员们对于纯受压的壳体找形的应用范围和特征提出了丰富的可能性尝试。其中，张力行同学针对复杂自交平面网格的找形设计提出了一种巧妙的解决方法，从而满足了一种设计更为复杂的结构形态的可能。同时，郭志滨同学对于复杂地形条件的假设，提出了一种多标高网格作为初始条件的索网找形的实现方法。除此之外，各个小组也都针对各自的设计假设进行了丰富的初始结构设计。



各小组成员之间进行交流研讨


Part3

2017.06.26材料性能影响下的初步设计

工作营第三日的关注点集中在建造实物的材料性能上——针对不同材料的特性分析和加工方法，探讨一种基于材料性能化的设计方法。王祥博士首先针对超薄纸板的力学和建造性能介绍了本次工作营中细胞化腔体结构的设计逻辑，以其博士期间参与的Mockup为例，对这种基于材料的性能化研究方法进行了详细的讲解；同时，在完整理论逻辑框架下，学员们对从力学找形到实体几何物体的转译中涉及到的相关前沿数学和几何问题进行了思维拓展。



王祥博士对于拱壳的单元细分方法进行讲解







拱壳细胞单元细分法的图解



拱每一个细胞单元块针对建造方式，设计并细化了相应的结构骨架、内凹曲面咬接，单元块之前栓接留孔等一系列细节在各小组的设计讨论和研究过程中，不同小组根据对于自己选定材料的认知和分析，提出了基于找形技术得到的线性力系平衡条件的拱壳单元几何深化设计。



各小组学员将深化方案与指导老师以及助教进行讨论



大组建造方案的物理找形、几何单元细分深化过程视频其中，第一组同学（李至、林誉婷、葛康宁、段晓天）以工业平面板材的经济化建造为出发点，基于线性空间网格的网格找形并进行了拱壳的单元平板优化过程，从而完成了基于特定平板材料的拱壳几何深化设计。



第二组同学（张力行、吴薇、周静微）提出“交叉叠拱”概念——以正六边形的三角化细分网格为基础进行力学找形，将六边形内的网格分为两层不同高度的部分并进行局部连接，这样生形后的拱壳源于一个基础体系但是在上部分为两个交叉的部分，实现了独特的几何拓扑变化。



第三组同学（郭志滨、刘江德、官诗菡）以复杂地形条件为假设，以瀑布的跌落形态为设计概念，将找形的基础网格变化为空间中不同标高的三维网格，再确定了若干锚固点后进行力学生形得到具有不同标高变化的空间拱壳，在此基础上利用weaverbird插件对生成悬索mesh化后做单元开洞设计，实现一种仿生的孔洞效果。



第四组同学（史学鹏、徐赫言、何薇）通过对于石材、金属等实体材料的加工方法的研究，提出了利用对偶网格将线性力系网络转化成空间离散实体结构的数学分析方法，并通过相应算法设计使离散的细胞化单元轮廓可以通过平面来得到优化，从而简化了结构的加工环节。



第五组同学（聂家鑫、白雪、韩旭）以平面网格为基础找形，在得到相应的拱壳网格后进行三角化细分并得到单元体，单元体内部进行掏空处理，由底部至拱顶呈现渐变大小的效果，底部孔洞小有利于承重，顶部空洞大有利于减小荷载。每个单元块之间可以仅仅通过垒叠实现拱的建造，不依赖任何链接粘合剂。




Part4

2017.06.27方案深化+成果模型

工作营第四日，针对各组方案的结构平衡合理性分析及优化探究，我们邀请了毕业于UCL的土木工程结构助教陈嘉晟进行Karamba有限元分析教学。陈嘉晟为学员们科普了不同结构软件的计算原理及适用条件及范围，深入浅出地讲解了结构设计的意义以及结构分析作为反馈如何影响设计和优化设计的方法。





Karamba现场教学实录



Karamba对大组拱壳方案进行结构分析计算



拱壳纸单元的测试件送去结构实验室进行抗压测试，验证了其结果与软件分析模拟的结果基本吻合后有利于对方案的整体受力结构分析结果的准确性在之后的工作中，各小组对各自方案进行了深化，并使用3D打印设备对实体模型展开验证和优化，对设计的细部构造提出进一步构思，讨论各组模型的深化可行性。



3D打印机为各组学员作品进行打印














Part5

2017.06.28-07.1大型壳体搭建

工作营第五天，小组的学员方案设计深化完成，全体成员进入了最终大型壳体的实际建造过程。整个壳体结构由179个细胞化壳体单元组成，并被分解成了几个区域组团进行单独加工处理。在实体建造的过程中，学员们对结构性能和相关的结构构造有了更深的理解，另一方面则是对最终整体结构搭建的可行性和难度分析进行了专业层面上的探究和优化。



大型超薄纸板拱壳由179个细胞单元与木板底座构成，在软件中对其进行编号归类，为后期有序的加工建造做准备



本次数字建造使用5轴CNC铣削木板作为拱壳的底座，激光切割机切割每个纸单元的展开图后可加工成为超薄纸板壳体的单元结构块



木板底座内部铣削出凹槽配合斜木块将拱壳底部单元进行固定



每个纸板单元块的展开件分为辅助肋、侧框、上下内凹曲面三大部分，将其相对应折叠组合后可用白胶进行粘接牢固，侧框上留有单元块之间连接的螺栓孔，使得相互之间可以栓接，有利于日后的拆卸与再组装



纸板单元块的加工流程主要为“组件归类—组件自身折叠制作—侧框与辅助框胶粘—内凹曲面粘接” 四大步骤



加工完成的单元块成品



将成品单元块运到搭建现场，相邻标号的单元块进行螺栓栓接，并逐渐拼装出不同区域的拱壳，其次在搭建场地上用纸胶绘制出底座所在区域，将底座木板放置固定于该区域后，将相应底座区域的拱壳块进行固定，然后依次将相邻区域的拱壳进行拼装，在搭建过程中拱的下方需要人力脚手架进行支撑，待所有的区域全部拼合完成后，支撑人员撤离，超薄纸板壳体在受自身重力下依然坚固，没出现明显形变或扭曲、毁坏的地方。值得一提的是，本次超薄纸板拱的结构并没有彻底完成，按照之前的设计单元块内侧同样是有凹面纸板封住加固的，但是本次为了展示单元块内部的结构之美选择了放弃添加，整个的壳体结构仍然提供了足够的稳定性，证明了即使是1mm的超薄纸板，使用细胞腔体结构的结构形态仍然提供了较强的结构冗余度，原本极为柔软的1mm超薄板材在先进的结构找形设计并优化的工作之下将材料结构性能潜力发挥的淋漓尽致。



本次超薄纸板壳体材料成本大约5000元，179个细胞单元的预制全部在工作营内的3天时间内完成，整个搭建过程仅花了两个小时左右便竣工，再次证明了这个结构体系在效率上（以及造价，建造方式）比传统的壳体更有优势。

至此，大型超薄纸板大跨拱壳建造工程顺利完工！



搭建现场记录视频



RhinoVault 开发者、ETH教授Philippe Block来此超薄纸板壳体下参观



来参观的教授专家团体络绎不绝，图为东南大学王建国院士，华南理工大学建筑学院院长孙一民教授，同济大学建筑与城市规划学院李振宇院长、彭震伟教授、章明教授等莅临参观



作为本次展览中的大型展品之一，超薄纸板壳体也吸引了众多参观者的目光，同济大学江一波校长、新华社瞭望吴亮主编、张雄教授也来此参观

【成果美照】

























【全体小组成员搭建完成后合影庆祝】

欢迎大家来参观Digital Future2017工作营成果展！

主办单位 HOSTS：



协办单位CO-ORGANIZERS：



赞助SPONSORS：





支持媒体SUPPORT MEDIA：









FAB-UNION是国内最前沿的数字化设计与建造平台。联合国内外数字建造学者、建筑师、设计师、专家及相关企、事业单位和学术团体，关注国际数字设计建造新闻，推荐优秀数字编程与建造作品，推动数字化建造工艺的发展。创造新锐数字实践者的社交空间。