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          2022“深雙”中的智能建造:“在地鑄造”裝置詳解 / 大界機器人+都市實踐

             來源:有方空間    瀏覽:402    
          核心提示:歷屆深港城市\建筑雙城雙年展(UABB,后文簡稱“深雙”),不僅是先鋒建筑與城市發展觀的秀場,也是眾多智能建造方式天然的實踐

          歷屆深港城市\建筑雙城雙年展(UABB,后文簡稱“深雙”),不僅是先鋒建筑與城市發展觀的秀場,也是眾多智能建造方式天然的實踐地。

           

          近期開幕的第九屆“深雙”中,又有一座從設計到建造全過程使用數字技術賦能的裝置作品——“在地鑄造”,其不僅體現出建造觀念的創新,亦應用了大量實驗性的建造技術。在與主創方URBANUS都市實踐、北京遠瞻照明的合作下,大界機器人負責該裝置從設計深化、結構優化、施工圖、工廠預制、預搭建、到現場施工的全數字化智能建造。


          △ 主展場金啤坊與裝置“在地鑄造”  圖源:UABB

           

          在地鑄造

          主展館金啤坊


          “在地鑄造”是由URBANUS都市實踐設計的位于金啤坊C棟屋頂的一個城市空間裝置。C棟是原金威啤酒廠生產線上的曝氣池,為了回應原有水池空間特征及金威啤酒的歷史故事,“在地鑄造”裝置使用了工業金屬材料“鑄鋁”,通過定制鑄鋁桿件的拼接,形成上千個沙漏狀的單元模塊,在C棟屋頂組合形成一個通透的云霧狀的立體構筑物。
          光線透過裝置映照在池底和布滿歷史痕跡的墻面,過濾出波光粼粼的倒影,令人仿佛置身于水底。夜晚降臨時燈光緩緩閃爍,整個空間裝置呈現出如啤酒泡沫般的效果,隱喻著當年啤酒節上市民歡愉的城市記憶。

           

           

          △ 第九屆“深雙”展場導覽圖  ?UABB

           

          △ 第九屆“深雙”主展場金啤坊  ?UABB

           

          該項目位于深圳最早的中心城區羅湖區,大界機器人的智能建造過程對“在地鑄造”的幾何要素進行參數化轉譯并借助智能建造手段,以數字模型鏈接生產和施工,實現了由設計到施工的數據流通,并對整個過程進行全程數字化控制跟蹤。大界團隊通過與設計方和業主的共同協作,最終使金啤坊高質量地亮相深港雙年展。

           

          △ “在地鑄造”裝置實景   ?UABB

           

          數字拓撲優化
          由于該建筑屬性為舊改項目類型,建筑本體年代已久混凝土結構的承載力已不好估算,如何能夠在實現效果的條件下減小對建筑的荷載使“在地鑄造”裝置盡量輕盈;以及還面臨著建筑頂部“在地鑄造”支座部分局部破損,鋼筋暴露等問題。

          △ C棟改造前  ?大界機器人

           

          △ C棟改造后  ?UABB

           

          大界通過和都市實踐的溝通協作,使用參數化軟件將物理模型演變成高精度數字化模型對七種單元尺寸方案進行比選,通過三維模型軟件快速得出七種方案的整體模型效果,材料用量,支座偏移度,結構線等關鍵參數。最終衡量了材料用量,支座偏位,以及整體造型后使用了600毫米邊長的單元,材料選定鋁合金,與最初的方案相比整體結構在提升效果的前提下還極大地降低了造價成本。

           

           

          △ 高精度BIM模型  ?大界機器人△ 不同單元模數的仿真計算  ?大界機器人
          進一步使用參數化手段,將整體計算模型中的包絡內力提取,然后通過設定對節點最不利的情況進行內力篩選。這個比選過程并不只是把方案中存在的問題提前暴露作為對應建筑最終受力模式的直接映射,而是將結構模型作為一種廣義上的工具,把一個特定的設計需求轉譯成一個可高效實施的解決方案。在這個問題轉譯及尋解過程中,解決問題的模式一方面顧忌了設計本身的造型問題另一方面也最大化地使落地建造更加降本增效。
          △ 數字化節點仿真計算  ?大界機器人△ 不同節點種類篩選  ?大界機器人

          鑄鋁建構策略


          建筑設計“在地鑄造”裝置的原始設想效果,是基于傳統木構中使用的榫卯鏈接方式,由1503個立方體單元構件組合在20×8.5×3.1米的空間中。如何能最大限度地完成建筑的原有構思,裝置的可行性建造十分關鍵,而其中單元模塊的鏈接也成為了主要解決的技術難點。
          △ “在地鑄造”裝置實景  圖源:UABB
          為滿足建筑造型及造價成本約束,該裝置實際安裝使用了一萬三千多個定制鑄鋁構件。在滿足造型的基礎上節點要盡量隱形,結構上受力要可靠,傳力要明確,節點效應要符合結構計算假定,多通連接需要滿足構件的拓撲連接方向。此外,還需要滿足可以鑄造、可以脫模等構造要求。團隊創新性地將帶有構件的上下分體式的8向聯通節點和上中下分體的16向聯通節點,通過兩種連接體系根據結構拓撲運用作為整個裝置的鏈接策略。

          △ “在地鑄造”裝置實景  圖源:UABB

           

          在設計的荷載組合之下,大界使用參數化模型仿真計算了整體結構的強度和變形:通過對節點的結構拓撲特征區分不同種類的節點,然后將最危險處節點力提取進行仿真計算;通過第四強度理論,校核每個危險節點處的材料強度以及變形,進一步確認了節點的結構安全性。

           

           

           

          △ 整體結構計算  ?大界機器人

           

          節點仿真計算

           

          建造過程中,團隊面臨著設計原型的節點造型復雜,難以用現有方法實現的問題?,F下鋁合金網格結構使用的節點形式主要有鑄造節點、螺栓球節點、盤式節點還有轂式節點。排除多用于網殼體系的盤式節點和轂式節點,適用于空間網架類的鋁合金節點為螺栓球節點和鑄鋁節點。而常規的螺栓球節點和鑄鋁節點通常有加工不夠精確、現場拼裝誤差較大,以及造型不夠美觀、不適用于小跨度和小尺寸構件的缺點。

           

          而本項目的節點造型較為復雜,與傳統節點形式不同,無法套用現有的節點計算模型和生產加工工藝。如何實現這個節點是一個關鍵問題。


          △ “在地鑄造”裝置實景  圖源:UABB

           

          假設使用重力澆鑄將該節點進行整體鑄造,無論怎樣設計模具,從哪個方向澆鑄,都會在角區形成空腔,導致最終的脫模失敗或者形狀殘缺。怎樣將節點分塊澆鑄同樣是一個棘手的問題。通過對工藝的進一步了解和工廠調研,兩種分塊方式得到了大家一致的認可。

           

           

          △ “在地鑄造”裝置實景  圖源:UABB

           

          △ 壓力鑄造工藝示意  圖源網絡

           

          如下圖所示,左側方案為將節點分為上下兩片,再通過相交處的榫卯拼接和螺栓固定最終成型。右側方案為將節點攔腰分為上下兩個部分分別澆鑄,再通過中間螺栓固定成型。最后大界團隊通過模具加工難度對比最后成型效果打樣對比,選擇了左側的方案。

           

           

          △ 不同組合分塊方式圖示  ?大界機器人

           

          通過重新計算和對有限元節點的仿真分析,重新設計節點具有以下幾點優勢:

          1. 相較于傳統鑄造節點和螺栓球節點,它解決了小尺寸構件的連接問題,滿足結構方案的拓撲構造;

          2. 通過一系列仿真試驗和測試,該節點滿足了結構計算假定,通過了結構受力計算;3. 相較于傳統鑄造節點和螺栓球節點,它更加貼合建筑要求的簡約和隱形的需求;4. 該節點連接穩定,體積重量適中,操作簡便有邏輯,大幅度方便了施工階段工人現場的拼裝;

          5. 該節點通過合理拆分,滿足了鑄造的模具構造要求,也滿足了鑄造脫模要求。節省了制造成本和時間。

           

           

          △ 節點仿真計算(左上:上下榫卯仿真布置界面;右上:上下分體仿真布置界面;左下:上下榫卯節點應力云圖;右下:上下分體應力云圖)?大界機器人

           

          △ “在地鑄造”與雙年展展品  圖源:UABB

          數字制造與在地裝配

           

          大界以數字模型鏈接生產和施工,對空間三維定位進行精準復測及校核,實現了由設計到施工的數據流通。整個裝置采取了工廠預制鑄鋁構件、現場拼裝單體框架、吊裝單體框架組的建造流程。使用數字化技術指導整個生產建造過程有效地控制了施工建造的生產周期,也輔助建筑師幾乎零變形地實現了由小構件拼接構成大跨度框架的創造性建構。

           

           

          △ “在地鑄造”裝置實景  ?UABB

           

          工人安裝前,大界做好安裝指導手冊利用數字模型為“在地鑄造”提供安裝模板,快速、準確地完成了該項目從“工廠預制——到現場組裝”的高效建造。

           

           

          △ 安裝指導圖解  ?大界機器人

          △ 工廠模塊預制  ?大界機器人

          △ “在地鑄造”在金啤坊落地了同名常設展  圖源:UABB

           

          智造賦能

           

          “智能建造是從設計到建造的全過程數字化賦能,我們會選擇最有效的技術工具。于大界而言,機器人技術只是手段之一?!?/span>

           

          本項目中,基于建筑師設計理念及建構模型的基礎上,大界通過數字技術,從工藝角度為設計端到建造端的全流程提供支持。從針對一個單體原型的設計和研發測試,到結構網架及單元構件仿真和生產的全程數字化跟蹤,再到預組裝和現場搭設,無不滲透著大界智能建造技術的深厚積累,既提高建筑項目核心價值,也為建筑新材料、新結構、新工藝的探索和突破提供了無限的想象空間。

           




           
           
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