超越幾何：全球最大改性塑料3D打印建造體欣賞

全球最大(da)的改(gai)性(xing)塑料3D打印建造體(ti)(ti)——南京歡樂谷主題(ti)樂園東大門，在2020年11月(yue)11日隨著園區的(de)正式(shi)開放，近期經過(guo)近半年(nian)驗收、運營和使用觀(guan)察，如(ru)今(jin)非(fei)常完美呈(cheng)現(xian)我們在建(jian)筑機器人打印建(jian)造技術領域的(de)研發能(neng)力與(yu)實踐水平。

2020年(nian)是不尋常的(de)一年(nian)，4月下(xia)旬開始，隨著疫情的(de)有效控(kong)制，該項目進入(ru)入(ru)口廣場與(yu)主大門的(de)實施收官階段(duan)。設計(ji)(ji)團隊(dui)與(yu)建筑機器(qi)人協作，全面(mian)顛覆了傳統意義上的(de)設計(ji)(ji)到建造的(de)流程，高效、精(jing)準地完成了超(chao)尺度、高維幾何建造體(ti)(ti)的(de)改性塑料3D打印實(shi)施工(gong)作。獨(du)特(te)的定制化建造體不僅在(zai)形象上成為了(le)(le)南京(jing)歡樂谷的代表性標志，也完美組織整合了(le)(le)從前(qian)廣場到主題(ti)樂園的空間過渡。

在疫(yi)情后的特殊時(shi)刻，沒有(you)什么比(bi)創造一(yi)個愉(yu)悅(yue)的空間更加(jia)重要(yao)。激(ji)發(fa)無(wu)比(bi)歡快的游(you)樂場氛圍，同時(shi)有(you)效組(zu)織出入口檢票(piao)以及紀念品店的動線功能，這些(xie)需求都(dou)需要(yao)用(yong)一(yi)個整體(ti)(ti)式設計給出解(jie)決(jue)答案。

基于計(ji)算性(xing)幾何的(de)多(duo)(duo)維雙曲面在多(duo)(duo)孔性(xing)穿透下得到無限擴展，三維空間(jian)的(de)內外折疊(die)增強(qiang)了(le)空間(jian)的(de)連續(xu)性(xing)，曲面起(qi)止的(de)綿延(yan)消弱了(le)建筑(zhu)的(de)邊界，入口空間(jian)呈現從各個方向接納(na)游客的(de)歡(huan)迎姿(zi)態(tai)。大門整體采(cai)(cai)用整體鋼結(jie)構骨架找形(xing)，除屋面不可(ke)見(jian)的(de)較為平整部(bu)(bu)分采(cai)(cai)用部(bu)(bu)分GRP材料外，其(qi)他(ta)彩色(se)外表皮采用3D改性(xing)塑料外表(biao)皮打印的(de)建構體系。

南京(jing)歡(huan)樂(le)谷東側(ce)大門長52m，寬26m，投影面積(ji)1352㎡，曲面展開面積1950㎡。多維雙曲幾何體實現的(de)異形不規則懸(xuan)挑(tiao)跨度長(chang)達30米(mi)，挑戰的(de)不僅僅是設計難度，更是建造精度。占地18300㎡?廣場成為(wei)大門的鋪墊(dian)與背景，超然愉悅的歡迎之門，為(wei)游客開啟游園體驗的新序章。

設(she)計范圍不僅僅是東大(da)門本身(shen)，還包含了整個園區的(de)入(ru)口(kou)廣(guang)場及廣(guang)場地(di)下室出入(ru)口(kou)的(de)木(mu)構大(da)門。方(fang)案設(she)計初期，場地(di)中需要統籌的(de)要素(su)頗多——從基地(di)(di)南側道(dao)路到(dao)兩大園區入(ru)口(kou)，從北側復雜建(jian)筑界面到(dao)地(di)(di)下扶梯出入(ru)口(kou)，幾者共同(tong)帶來了場地(di)(di)中人(ren)群(qun)活動(dong)(dong)(dong)的(de)隨(sui)機性，產生了維(wei)度各異、強(qiang)度不同(tong)的(de)人(ren)流動(dong)(dong)(dong)線(xian)干擾(rao)。為解決(jue)該(gai)問題，需將(jiang)(jiang)人(ren)群(qun)視作場地(di)(di)中運動(dong)(dong)(dong)的(de)粒(li)(li)子群(qun)，通過基于集群(qun)多代(dai)理(li)系統的(de)自組織粒(li)(li)子群(qun)算法對動(dong)(dong)(dong)線(xian)進行模擬(ni)，再將(jiang)(jiang)不同(tong)動(dong)(dong)(dong)線(xian)轉化為矢量要素(su)，使整(zheng)個(ge)廣(guang)場中的(de)人(ren)群(qun)行為形(xing)成一個(ge)復雜的(de)隨(sui)機向(xiang)量場。除人(ren)群(qun)活動(dong)(dong)(dong)外，場地(di)(di)的(de)客觀環境中還存在著(zhu)矢量方向(xiang)場、漩渦(wo)場、點場、排斥力場、向(xiang)心(xin)力場等(deng)多個(ge)場。

通過多代理(li)系(xi)統，綜合(he)場(chang)地客觀環境中場(chang)所形成的(de)空間(jian)復(fu)合(he)力場(chang)，可用來模(mo)擬復(fu)雜多變的(de)實際(ji)環境。在(zai)模(mo)擬中，將場(chang)地的(de)東、西入口以及廣場(chang)入口視(shi)作粒(li)子運動的(de)起始點，將復(fu)合(he)力場(chang)模(mo)型視(shi)作真實空間(jian)的(de)力場(chang)環境，并通過計算分(fen)析，得(de)到復(fu)合(he)力場(chang)對粒(li)子運動軌跡的(de)影響(xiang)以及對粒(li)子群空間(jian)分(fen)布的(de)改變。

最終，在人群與(yu)場(chang)地(di)關系(xi)的基(ji)(ji)礎之上，基(ji)(ji)于集群智能(neng)的模(mo)擬(ni)結果進一步(bu)針(zhen)對模(mo)擬(ni)結果使(shi)用像素化干擾的手段，將(jiang)場(chang)與(yu)場(chang)之間(jian)(jian)的復(fu)雜關系(xi)轉化為廣場(chang)鋪裝(zhuang)的肌理層次(ci)，完成周邊大尺度繁雜空間(jian)(jian)的初(chu)步(bu)整(zheng)理與(yu)組織。除(chu)場(chang)地(di)外，建(jian)筑(zhu)形(xing)(xing)體也需綜(zong)合多(duo)方因素(su)進行統籌考慮(lv)。入(ru)口(kou)周邊人(ren)流(liu)動(dong)線復雜、活動(dong)種類繁多(duo)，如何在(zai)融入(ru)場(chang)地(di)的(de)同時，完成動(dong)線梳(shu)理并(bing)給(gei)予形(xing)(xing)態以(yi)標志性，使其幾何兼具功能與(yu)美(mei)學(xue)價值，是(shi)(shi)該項目(mu)的(de)核(he)心思(si)想與(yu)最終目(mu)的(de)。因入(ru)口(kou)底側有大量(liang)人(ren)群穿行通過，兩側有建(jian)筑(zhu)邊界(jie)向內擠壓，若(ruo)以(yi)入(ru)口(kou)為正形(xing)(xing)空間，以(yi)底側人(ren)流(liu)與(yu)兩側建(jian)筑(zhu)為負形(xing)(xing)空間，該入(ru)口(kou)在(zai)圖底關(guan)系中(zhong)并(bing)不會是(shi)(shi)規(gui)則的(de)多(duo)邊形(xing)(xing)，而將成為漂浮(fu)在(zai)場(chang)地(di)中(zhong)的(de)多(duo)維拓(tuo)撲(pu)流(liu)形(xing)(xing)。

設計(ji)生形的智能(neng)性(xing)體現于(yu)建筑師(shi)與計(ji)算機的協(xie)作之中，計(ji)算性(xing)幾何拓(tuo)撲(pu)原(yuan)型(xing)發生自(zi)數學曲面：a1*sin(x)*sin(2*y)*sin(3*z)+a2*sin(2*x)*sin(y)*sin(3*z)+a3*sin(2*x)*sin(3*y)*sin(z)+a4*sin(3*x)*sin(y)*sin(2*z)+a5*sin(x)*sin(3*y)*sin(2*z)+a6*sin(3*x)*sin(2*y)*sin(z)=0

通過對輸入參數a1、a2、a3、a4、a5、a6的(de)動態調(diao)節與最終的(de)形態結果比對，最終生成滿足設(she)計(ji)期待(dai)的(de)拓撲幾(ji)何(he)原(yuan)型(xing)，建(jian)筑師進(jin)而根(gen)據邊界(jie)條件、視線框景與空(kong)間的(de)通達性需求對幾(ji)何(he)原(yuan)型(xing)進(jin)行衍化(hua)與操作(zuo)迭(die)代。

基(ji)(ji)礎網格(ge)(ge)的(de)形成(cheng)將為建造形態的(de)生(sheng)成(cheng)打(da)下(xia)基(ji)(ji)礎。在(zai)得出大體(ti)形態后，隨之而來(lai)的(de)是從幾(ji)(ji)何參數出發(fa)生(sheng)成(cheng)符合邊(bian)界條(tiao)件的(de)網格(ge)(ge)劃分，其(qi)生(sheng)成(cheng)需要經歷幾(ji)(ji)個(ge)步驟：給定邊(bian)界（Boundary Input），面骨架化（Surface Skeletonization），骨架(jia)分解(jie)（Skeleton Subdivision）與網格細分（Mesh），最終得到實際建造可用的拓撲表面。

基于重力(li)場作用，初步形(xing)態(tai)還需(xu)進(jin)行結(jie)(jie)構性能(neng)的(de)(de)模(mo)擬(ni)，優化支(zhi)撐(cheng)(cheng)點的(de)(de)位置(zhi)，衡量視覺上(shang)的(de)(de)通達(da)與力(li)學(xue)上(shang)的(de)(de)穩(wen)定，形(xing)成最終的(de)(de)多點支(zhi)撐(cheng)(cheng)體系(xi)。拓撲網格中的(de)(de)點特(te)征(zheng)與線特(te)征(zheng)往往與結(jie)(jie)構支(zhi)承(cheng)和受力(li)情(qing)況相關，因此根據拓撲網格生(sheng)成的(de)(de)幾何網格劃分(fen)，既符(fu)合(he)建(jian)造形(xing)態(tai)，還可將(jiang)結(jie)(jie)構體系(xi)一并納入網格劃分(fen)的(de)(de)參數(shu)系(xi)統中。

形(xing)體(ti)掩映中，局部探(tan)出的(de)階梯(ti)引(yin)導游(you)(you)客(ke)拾階而(er)上(shang)，使(shi)游(you)(you)客(ke)能(neng)在(zai)(zai)(zai)不同的(de)高度體(ti)驗到拓(tuo)撲幾(ji)(ji)何(he)(he)演繹(yi)下(xia)的(de)空間(jian)多(duo)樣(yang)性(xing)，獲得(de)豐富的(de)建筑體(ti)驗。在(zai)(zai)(zai)某個(ge)特(te)定(ding)的(de)角度，視線(xian)可穿過形(xing)體(ti)中的(de)環洞(dong)到達園區軸線(xian)盡端的(de)摩(mo)天輪，得(de)到打破常(chang)規的(de)幾(ji)(ji)何(he)(he)框(kuang)景(jing)。在(zai)(zai)(zai)穿行中，來自各個(ge)方(fang)向的(de)游(you)(you)客(ke)都能(neng)在(zai)(zai)(zai)人與拓(tuo)撲形(xing)體(ti)的(de)關(guan)系中，得(de)到超越幾(ji)(ji)何(he)(he)與空間(jian)的(de)回(hui)應。

走向建筑(zhu)機器人建造(zao)的(de)大規模定制道路并不平坦。團隊對于(yu)改(gai)性塑料打(da)印(yin)的(de)研發始(shi)于(yu)2014年，從單一(yi)材料走(zou)(zou)向復合改性塑(su)料，從單一(yi)構件(jian)計(ji)算走(zou)(zou)向全局(ju)有限(xian)元計(ji)算，從層(ceng)級打(da)印到空間(jian)打(da)印，從實驗室探索走(zou)(zou)向工(gong)示范，一共經歷了6年時間(jian)。期間(jian)，2016年我(wo)們在悉尼大學(xue)RobArch會議上最早發表空間(jian)拓撲(pu)打(da)印的技術方法；2018年，在威尼斯(si)建筑雙年展(zhan)中國館展(zhan)示空間(jian)打印(yin)展(zhan)亭(ting)；以及(ji)2020年完成南(nan)京(jing)歡樂(le)谷(gu)的(de)東(dong)大門(men)。時間記(ji)錄(lu)了不僅(jin)僅(jin)是技術(shu)的(de)進步，也(ye)記(ji)錄(lu)了從原型、藝術(shu)展品到大規模生產(chan)建造的(de)全部歷程，所以，本(ben)項(xiang)目具有(you)重要的(de)歷史價(jia)值與社會實踐價(jia)值。在復雜幾何與智能建造背后，研(yan)發設計建造一體(ti)(ti)化以及軟硬件(jian)一體(ti)(ti)化技術平臺也(ye)成為了我們逐(zhu)步攀登的“喜馬拉雅”。基(ji)于參(can)數化(hua)設計(ji)的(de)(de)拓撲幾何(he)形(xing)體(ti)如(ru)何(he)轉譯為可(ke)建造(zao)的(de)(de)模式語(yu)言？人機協作下(xia)(xia)(xia)的(de)(de)智能化(hua)建造(zao)如(ru)何(he)在(zai)疫(yi)情(qing)的(de)(de)遠程背景下(xia)(xia)(xia)，確保建造(zao)過程的(de)(de)高(gao)(gao)效率、高(gao)(gao)精度、高(gao)(gao)質量？復雜環境下(xia)(xia)(xia)生(sheng)成的(de)(de)多(duo)維(wei)幾何(he)形(xing)體(ti)，亦對數字化(hua)語(yu)境下(xia)(xia)(xia)建造(zao)的(de)(de)技(ji)術性(xing)突破提出了要求。

整(zheng)體(ti)設計與建(jian)(jian)造的(de)(de)流程是當代建(jian)(jian)筑學(xue)與建(jian)(jian)造學(xue)的(de)(de)范(fan)式革新。團隊自主研發的(de)(de)FURobot軟件平臺，是實現可建造(zao)模(mo)塊語言的轉譯(yi)的堅石(shi)。其中(zhong)不但蘊含著建造(zao)要(yao)求下的幾何(he)規(gui)劃(hua)、板材劃(hua)分(fen)，更重要(yao)的是將(jiang)建筑(zhu)(zhu)幾何(he)瞬時轉譯(yi)成建筑(zhu)(zhu)機器人加工路(lu)徑規(gui)劃(hua)的能力(li)。團隊研發(fa)了(le)復(fu)雜(za)模(mo)型(xing)(xing)的局部幾何(he)模(mo)型(xing)(xing)自(zi)適應反變形算法(fa)，將(jiang)展開面積高達1950㎡的連續曲面轉譯為可(ke)供工廠打印預制(zhi)的4000余塊曲面(mian)板材，并(bing)遠(yuan)程生成(cheng)打印路徑(jing)，最遠(yuan)的設(she)計者疫情期(qi)間遠(yuan)在馬來(lai)西亞，云(yun)端協(xie)力(li)完成(cheng)整個設(she)計與機器(qi)人控制文件的生成(cheng)。我們搭建的人機協(xie)作的橋(qiao)梁，實現了(le)設(she)計師的創作情感與大(da)規模定(ding)制化建造的有效融合。

為契合歡樂谷游園氛圍(wei)，6種(zhong)深淺(qian)不(bu)(bu)一的(de)紅色通(tong)過(guo)彩(cai)色像素化(hua)拼貼算(suan)法被賦(fu)予(yu)給不(bu)(bu)同(tong)的(de)樣板段。明亮的(de)色彩(cai)極具標識性(xing)(xing)，在隱喻著(zhu)歡(huan)樂谷豐富多彩(cai)的(de)活動的(de)同(tong)時(shi)，也抽象出了(le)游客在入口處的(de)美好(hao)期待(dai)，以(yi)及其熱情的(de)面貌歡(huan)迎各(ge)方來(lai)客。經(jing)過(guo)嚴謹的(de)材料(liao)試(shi)驗(yan)，經(jing)過(guo)十年的(de)抗老化(hua)材料(liao)性(xing)(xing)能(neng)試(shi)驗(yan)，團隊(dui)精準研發(fa)了(le)戶外抗紫外線(xian)彩(cai)色改性(xing)(xing)塑(su)料(liao)材料(liao)，可以(yi)實(shi)現256種色彩的精準(zhun)參數(shu)化調色打印技(ji)術。

在幾(ji)何形態、多(duo)重顏(yan)色(se)雙控下(xia)的(de)復(fu)雜性(xing)，需要對打(da)印成功率與精度具有高超的(de)掌控力。在隨幾(ji)何與色(se)彩差異性(xing)的(de)單元建模(mo)后，再運(yun)用自主研(yan)發的(de)FURobot軟件(jian)對每塊單體(ti)進行可供機器(qi)識別與反(fan)饋的3D打印算法(fa)編程(cheng)。每(mei)個(ge)板塊單體均(jun)由大尺度3D改性塑料機器人(ren)在工廠(chang)完成(cheng)預(yu)制3D打印，經過在(zai)工廠進(jin)行系統編(bian)號再運至現場進(jin)行模塊化復合安裝。建造現場(chang)配合系統編號采用多(duo)(duo)象限、多(duo)(duo)目標(biao)的復合數控安裝(zhuang)技(ji)術，通過(guo)數控激光定(ding)位與掃描系統為每個(ge)3D打印外掛(gua)板進(jin)行精(jing)準定(ding)位，同時實(shi)(shi)現(xian)上海設計(ji)辦公室對于現(xian)場工(gong)程進(jin)度的遠程實(shi)(shi)時監控。在疫情期間仍實(shi)(shi)現(xian)了高(gao)效率、高(gao)精(jing)度、高(gao)質(zhi)量的項目建造水準。

現(xian)(xian)場交叉施工作業(ye)的(de)(de)復雜(za)環境導致的(de)(de)多維拓撲形體空(kong)(kong)間統籌具有極高的(de)(de)難度(du)，搭建數字工地，全(quan)局形成(cheng)智能感(gan)(gan)知(zhi)與(yu)反饋(kui)系統，不(bu)但可以每天獲取建設(she)數據(ju)，更重要的(de)(de)是為短(duan)工期的(de)(de)動(dong)態預測安裝精度(du)與(yu)全(quan)局尺寸帶來保證(zheng)。數字工地的(de)(de)自主(zhu)感(gan)(gan)知(zhi)系統，確保了復雜(za)多維拓撲形體的(de)(de)實(shi)現(xian)(xian)，數字化(hua)(hua)生形與(yu)建造相(xiang)輔相(xiang)成(cheng)，入口大門(men)和周(zhou)邊要素相(xiang)貫相(xiang)融(rong)，通(tong)過尺度(du)的(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)與(yu)新穎的(de)(de)材(cai)料，使得游客于空(kong)(kong)間的(de)(de)漸變(bian)中完成(cheng)城市到主(zhu)題樂園的(de)(de)心境轉化(hua)(hua)，將(jiang)傳(chuan)統的(de)(de)購票(piao)驗(yan)(yan)票(piao)流程(cheng)轉變(bian)為開啟一(yi)段奇妙旅程(cheng)的(de)(de)序章，極大地提升(sheng)體驗(yan)(yan)者的(de)(de)參與(yu)感(gan)(gan)與(yu)喜悅感(gan)(gan)。

歡樂谷大門項目作為全球規(gui)模和(he)尺度最大的改性(xing)塑料3D打印建筑實踐之一，其直面(mian)的是(shi)大尺度3D打印領域的一個根(gen)本問題：在(zai)尺度和精(jing)度上的雙重要求(qiu)幾乎是超越了3D打印材料(liao)的物理性(xing)能極(ji)限的。該項目在(zai)全局優(you)化和(he)單元計算(suan)兩個層面上對這一問題進(jin)行了(le)回(hui)應(ying)。在(zai)全局層面，基于3D打印形變預測(ce)模(mo)型的曲(qu)面細(xi)分優(you)化算(suan)法保證了整體(ti)板面劃分的合理性(xing)和精度水平。

針對改性(xing)塑料研(yan)發的(de)(de)(de)(de)精準的(de)(de)(de)(de)變(bian)形預測與反變(bian)形打(da)(da)(da)印技術，實現(xian)(xian)了高效的(de)(de)(de)(de)材(cai)料性(xing)能的(de)(de)(de)(de)幾(ji)(ji)(ji)何計(ji)算；在(zai)單元層面(mian)，材(cai)料有限元計(ji)算助(zhu)力下的(de)(de)(de)(de)復(fu)雜(za)幾(ji)(ji)(ji)何和每塊打(da)(da)(da)印板完(wan)全(quan)不同(tong)的(de)(de)(de)(de)幾(ji)(ji)(ji)何特征(zheng)，只有通過建筑(zhu)機器(qi)人研(yan)發的(de)(de)(de)(de)打(da)(da)(da)印路徑規劃工具，才能實現(xian)(xian)每個(ge)打(da)(da)(da)印單元達到(dao)精度最佳的(de)(de)(de)(de)打(da)(da)(da)印效果和加工目標。最終在(zai)南京華僑城東大門(men)示范項目，在(zai)長度達到(dao)52m整體建筑尺度下，全局表皮打印(yin)板(ban)實(shi)現了(le)亞(ya)厘米級的完成(cheng)精度。

物性(xing)有(you)形，建造無形。從某種意義(yi)上出(chu)發，“超越(yue)幾何”不僅(jin)是(shi)(shi)對(dui)傳統建造(zao)技(ji)術的(de)(de)(de)(de)超(chao)越(yue)，也是(shi)(shi)一(yi)次空間體驗的(de)(de)(de)(de)全面超(chao)越(yue)。疫(yi)情(qing)后(hou)的(de)(de)(de)(de)時(shi)代(dai)我(wo)們應追(zhui)求的(de)(de)(de)(de)不僅(jin)僅(jin)是(shi)(shi)呼(hu)吸(xi)的(de)(de)(de)(de)安全與(yu)健康的(de)(de)(de)(de)社(she)交方式，更應反(fan)思技(ji)術文(wen)化該以何(he)種方式書(shu)寫。在全球后(hou)疫(yi)情(qing)的(de)(de)(de)(de)時(shi)代(dai)中，或(huo)許唯(wei)有技(ji)術創新(xin)與(yu)文(wen)化融入才是(shi)(shi)在后(hou)人文(wen)背景下再拾信心重新(xin)起(qi)航的(de)(de)(de)(de)必由(you)之路(lu)。

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