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3D打印、机器人建造、智能动态铸造……

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发表于 2019-3-11 08:09:39 | 显示全部楼层 |阅读模式


3D 打印和机器人发展至今,已经有了相对成熟的技术,尤其在「建造房子」这件事上,更是有着不错的发展。

今天要讲的这栋房子名为「DFAB HOUSE」,就利用了各种新颖、数字化的建造方法。


DFAB HOUSE 位于一栋大楼的顶层,建筑的外立面看上去就像一个被切了几个角的盒子,晶莹剔透的表层充满科技的味道。


这个小房子大概占地 200㎡,虽然不大,但要用新型的技术去建造它,还是需要非常多的步骤和方法。

下面我会用 5 个部分的内容,来仔细向你说明它奇特、新颖的建造方法。

△初始模型



01.
起伏的混凝土墙
Mesh Mould


房子的正中央有一道起伏的混凝土墙,看着造型简单,但从建造的技术上而言,却并不容易。

首先,需要用到一个名为「In situ Fabricator」的机器人,通过它,你可以在项目的地址上直接动工,而且非常节省人力。

△In situ Fabricator

团队先将机器人搬运到施工的地点,并且用吊车将它搬运到顶层 ▼


接着, 就是利用混凝土 3D 打印技术,把混凝土墙的形状先设计出来,并将其连接到机器人的程序当中。

这个形状是通过「Mesh Mould」——一种重新设计混凝土内部结构的方法,而计算出来的曲面 ▼


它实际上是一个三维的钢筋网格,可以有效解决普通混凝土 3D 打印技术的缺陷。

例如单元曲率及整体曲率问题;例如在过程中,由于特有的化学反应,不同层很可能会粘合度不够,形成一些缝隙,这就导致强度不够。

先通过机器人和人工在地上建造起钢筋网格 ▼


机器人会通过摄像头自动识别事先在地上准备的标识,并根据这些标识进行下一步的工作 ▼


将钢筋加工并安装,无论是在效率还是在准确率上,都比普通的人工方法高上不少 ▼


混凝土墙的「骨骼」就这么一步步地形成 ▼


接着在这些网格中填充进水泥浆料,逐层挤出并形成三维的形状,并让其从网格中突出,保持在所需的形状 ▼


内部填充后,再在表面以人工的方式进行平滑处理 ▼


最终这个曲面便完成了,这是整个房子内第一个完成的部分 ▼




02.
智能楼板
Smart Slab


房子的楼板被称为「Smart Slab」,由各个离散结构组件和 3D 打印建筑复杂构建体组成,面积达到 78㎡,悬挂在起伏的混凝土墙上 ▼
同样的,先在电脑上「找型」,确定它的形状 ▼


采用分割式的设计,方便施工 ▼

△上部凹位是预留的楼梯井

接着制造出 3D 打印的模具 ▼


共 118 件的 3D 打印单元组件,每一个组件都有各自不同的对位凹凸槽,方便之后组装 ▼


接着便是利用 3D 打印制作组件,值得一提的是,组件的骨料采用的是玻璃纤维 ▼


打印出来以后,在表面上进行细致的人工处理 ▼


当然,模板组装的部件也不能忘记 ▼


再来,就是将组件放在模板上进行组装 ▼


组装以后,楼板的组件就完成了。Smart Slab 的几何结构设计有长达 4.5 米的悬臂,并且材料都分布在弯曲的分层网络中,优化了载荷。

不仅如此,它与传统的混凝土板相比,重量仅为 15 吨,减少了将近 70% 的重量。


完成以后,用吊车将一块块楼板部件运输到楼顶 ▼


进行组装 ▼


最终楼板完成,从房子内部看,能够看到它特殊的纹理和造型 ▼


可惜的是,最终最后一塊楼板出现了 2mm 的误差。

不过这是在接受范围以内,毕竟从没有人有过 Smart Slab 施工的经验。


楼板的样子虽然有些古怪,但与弯曲的混凝土墙有着非常和谐的氛围 ▼




03.
智能动态铸造的柱子
Smart Dynamic Casting


作为整个房子中相当重要的一部分,落地窗边上的柱子也采用了相当特别的技术,名为「智能动态铸造 Smart Dynamic Casting」,简称 SDC。

SDC 是一种连续的机器人滑移成型工艺,可以用更小的模板来做出承重混凝土结构。


首先,做出骨干的形状 ▼



接着,在预制的模板中倒入原料 ▼


然后机器开始工作,在这个过程中,动态模板会以一定的速度连续移动,使得混凝土能在精细阶段成形(此时便从柔软材料变为硬质材料)▼


可以说这个柱子就是「滑」出来的,而且无论是形状还是表面,都非常平整规范 ▼


接着便是将制作好的柱子搬运到施工场地 ▼


然后嵌进原本预留的安装孔位 ▼




04.
机器人木材空间组装
Spatial Timber Assemblies


虽然从外观看不出来,但实际上 DFAB HOUSE 的第二、三层采用的是木结构 ▼

团队运用了一个专门的多机器人系统来做组装工作,被称为「Spatial Timber Assemblies」

首先,在电脑上做出设计模型 ▼


接着将模型输入机器人的程序当中,让机器人开始工作 ▼


机器人会自动的进行工作,日以继夜 ▼


这个系统其实就是在现有的木框架建造方法上,增加了机器人及时生产零件的能力,需要什么样的木材随时都可以进行加工 ▼


因此无论木结构有多复杂,机器人都可以使木材模块高度预制,实现快速简单的现场组装 ▼


木结构完成以后,只需要将成品运输到施工现场安装即可 ▼


同样利用吊车就可以把二层的木结构运到房子上端 ▼


然后进行非常简单的组装,就搭建完成了 ▼




05.
轻量级的创新外墙
Innovative Translucent Façade System


你可能注意到 DFAB HOUSE 的立面很特别,它没有用一般常见的木材板,而是采用一种极具创新性的专利技术——「半透明立面系统」。


这个系统利用「气凝胶」来作为材料,气凝胶是一种由气体取代液体在凝胶中的位置制造而成的材料,早期只用于航联领域。

团队在二层房屋的外立面,安装了半透明的绝缘材料作为「隔膜」,隔膜之中有空隙,在当中灌入颗粒状的气凝胶 ▼


气凝胶有着优异的隔热性和半透明性,而外面的隔膜则显得非常轻盈和灵活。使用这项技术,可以让外立面有着非常高性能而且新颖的外观。


至此,DFAB HOUSE 的建造过程基本上已经全部完成。

项目的团队利用各种新颖的技术,包括3D 打印、机器人建造工程、新型混凝土制造方法……建造了出一个可以说是「前所未有」的房子。


DFAB HOUSE 由 苏黎世 ETH 学院的 8 位教授进行研究、规划,他们都隶属于一个名为 NCCR Digital Fabrication 的组织。


组织中有来自各行各业的 70 多名研究人员,专门研究如何将数字技术和物理构建流程无缝结合,彻底改变建筑的架构。

在他们的研究和努力之下,DFAB HOUSE 才得以出现。

△NCCR Digital Fabrication

因为这栋房子的存在,代表着利用新颖、可靠的技术,会让设计的自由度得到上升,使得建造成本和时间更加合理,甚至可以让项目的质量可以有更大的可控性。

这样的研究,意义非凡。


本文图片、视频动图制作来源于 DFAB HOUSE项目官网(http://dfabhouse.ch/),版权归 DFAB HOUSE 项目方所有。



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