第四革命纪元 - Achim Menges & ICD的实践（启示纪元）

Architecture has never been digital: despite the use of computers to calculate huge amounts of complexity, the way that we build is still analogue, and therefore our increasing computational power is merely used in a representational way. The term ‘digital fabrication’ is misleading as well; 3d printing is an analogy process, similar to the way the CNC mill automates an artisanal action…

距离参加2016年的Digital Future已过去接近四年，那次Workshop对我自身的影响很大，也使我受益匪浅。在工作营结束的讲座中遇到了Achim Menges，这位来自斯图加特大学ICD实验室的教授给我们展示了一系列其对计算机设计与机器人协同建造的探索与实践，让我颇感震惊。同时也非常荣幸能遇到来自世界各地的小伙伴们一起合作完成这项看似简单却极其复杂艰辛的设计建造。

Robotic 3D Bending in Digital Future 2016 @ Maruko

Iron Team in Digital Future 2016

Achim Menges in Digital Future 2016

我本科学校所在的DAM LAB实验室也一直在进行数字化设计与机器人协同建造的研究，并且有卓著的成果，非常感谢DAM LAB实验室的导师以及SXY Architects的主持建筑师石新羽老师带给我的知识、见识与机会。

DAM LAB

在Achim的个人网站上，包括ICD的官网上也都详细介绍了其最近几年对计算机设计与机器人协同建造的探索与实践。

Archimmenges.net

经历了第一、二次工业革命，以及第三次的互联网革命，世界已经天翻地覆，在给传统行业带来许多颠覆性冲击的同时，也让整个世界变得焕然一新。如今，我们正面临第四次工业革命，在这次大浪潮中，数字化设计和机器人协同建造成为建筑行业内的最大机遇，同时也是最大冲击。Achim Menges和斯图加特大学的ICD实验室持续性地进行着这方面的研究并且成果斐然，我对Achim与ICD的研究充满兴趣与敬佩，因此，此文着重对其研究进行一个序列性的介绍。

ICD/ITKE RESEARCH PAVILLON 2012-13

ICD/ITKE Research Pavilion 2012

2012年11月，斯图加特大学计算机设计研究所（ICD）和建筑结构与结构设计研究所（ITKE）完成了一个完全由碳和玻璃纤维复合材料机械制造的展亭。这两个研究所的建筑和工程研究人员与教职员工以及与蒂宾根大学的生物学家合作开展的这个跨学科项目研究了仿生设计策略与机器人生产新过程之间可能的相互关系。该研究集中于节肢动物外骨骼的材料和形态学原理，作为探索建筑新型复合建筑范式的来源。该项目的核心是在碳纤维和玻璃纤维的长丝缠绕，以及通过相关的计算机设计工具和模拟方法在建筑行业范围内开发创新型机器人制造工艺。该项目的一个关键是将生物作用模型的纤维形态转变为纤维增强复合材料，其各向异性从一开始就被整合到基于计算机的设计和模拟过程中，从而生成新的结构。

—— 生物模型 ——

在“自下而上”的方法之后，对于节肢动物的物质各向异性和功能形态学，最初研究了大量的不同亚类无脊椎动物。观察到的生物学原理经过分析和抽象，以便随后转化为可行的建筑应用设计原则。对龙虾的外骨骼（Homarus americanus）进行了详细的分析，以了解其当地的物质分化情况，最终成为该项目的生物学原初范本。

龙虾的外骨骼（角质层）由软质部分，内表皮和相对硬质的外表皮组成。角质层是其中几丁质原纤维嵌入蛋白质基质中的分泌产物。纤维的位置和取向以及相关材料特性的特定差异响应特定的当地要求。几丁质纤维通过形成单独的单向层而结合在基质中。在需要无方向荷载传递的区域，这些单独的层以螺旋（螺旋）布置层压在一起。由此产生的各向同性纤维结构允许在每个方向上均匀的载荷分布。另一方面，受定向应力分布影响的区域表现出单层结构，形成针对定向载荷转移优化的各向异性纤维组件。

—— 生物设计原理的转移 ——

与生物学家合作，仔细研究了龙虾外骨骼中的纤维取向，纤维排列以及相关的层厚度和刚度梯度。表皮的高效率和功能性变化是由于外骨骼形式，纤维取向和基质的特定组合。这些原理被应用于基于纤维复合系统的机器人制造的壳体结构的设计，其中树脂饱和的玻璃和碳纤维被机器人连续铺设，形成具有定制纤维取向的复合结构。

在现有的纤维放置技术中，例如在航空航天工业或先进的风帆生产中，纤维通常铺设在单独制造的阳模上。由于建造完整的积极模板不适合建筑行业，因此该项目旨在将积极形式降至最低。结果，纤维被放置在临时轻质的线性钢框架上，其具有限定的锚定点，纤维在该锚定点之间张紧。从预应力纤维的直线段出现的表面出现了亭子特有的双弯曲形状。通过这种方式，由第一个玻璃纤维缠绕序列产生的双曲抛物面表面作为后续碳纤维和玻璃纤维层的整体模具，具有其特定的结构目的和承载性能。换句话说，展馆本身建立了积极的模板作为机器人制造序列的一部分。而且，在制造过程中，可以放置纤维，使得它们的取向与亭子表层的力流完美对齐。连续监测应力和应变变化的光纤传感器也集成在该结构中。该项目对壳体几何形状，光纤布置和制造工艺的同时考虑促成了形式，材料，结构和性能的创新性结合。

通过这种高水平的整合，生物结构的基本性质被转移：

异质性：六种不同的纤维缠绕顺序控制纤维分层的变化和纤维在壳体每个点处的纤维取向。它们旨在最大限度地降低材料消耗，同时最大限度地提高结构的刚度。

层次结构：玻璃纤维主要用作空间分隔元件，可用作后续层的模板，而较硬的碳纤维主要用于负载转移和系统的整体刚度。

功能整合：除了用于载荷转移的结构碳纤维和用于空间铰接的玻璃纤维之外，用于照明和结构监测的功能纤维可以集成在系统中。

—— 计算机设计和机器人生产 ——

项目设计，开发和实现的先决条件是封闭的数字信息链，将项目模型，有限元模拟，材料测试和机器人控制联系起来。材料和结构设计直接集成在设计过程中，因此形式，材料，结构和制造技术之间复杂的相互作用可以用作仿生设计方法的一个组成部分。几何和有限元模拟直接耦合到计算模型中，可以生成许多变化并进行比较分析。同时，通过材料测试确定的纤维复合材料的力学性能包括在表格生成和材料优化的过程中。通过基于梯度的方法对纤维和层布置进行优化，可以在最小程度上使用材料的情况下开发出高效率的结构。

该展亭的机器人制造是在一个专用的，防风雨的制造环境中由一个与外部第七轴相连的6轴机器人现场完成的。机器人放置在一个2米高的基座上，达到整体工作跨度和4米高度，机器人将纤维放置在临时钢架上，由机器人控制的转台以圆形运动启动。作为制造过程的一部分，纤维在机器人放置之前直接通过树脂浴时被树脂填充饱和。通过这种特殊设置，通过连续缠绕30多公里的纤维粗纱，可以实现直径约8.0米和高度3.5米的结构。与数字几何模型相关的绕组运动路径的参数化定义，包括与外轴的数学耦合的机器人运动规划以及机器人控制代码本身的生成可以在定制开发的设计和制造集成环境。在完成机器人纤维缠绕过程和随后的纤维 - 树脂复合材料的回火之后，临时钢架可以被拆卸和移除。其余极薄的厚度仅为4毫米的外壳构成了一个自动制造的但局部有区别的结构。

在计算机设计过程中，龙虾角质层仿生原理与新开发的机器人碳纤维和玻璃纤维长丝缠绕逻辑的并行整合，为建筑物提供了高水平的结构性能和新的构造机会。尽管其尺寸和跨度相当大，但亭子的半透明表皮重量不到320公斤，并通过碳纤维和玻璃纤维的空间排列显示了系统的结构逻辑。计算和材料设计，数字模拟和机器人制造的新型模式的综合允许探索新的建筑可能性和开发极其轻质且高效的结构。

ICD/ITKE RESEARCH PAVILLON 2013-14

ICD/ITKE Research Pavilion 2013-14

斯图加特大学计算机设计研究所（ICD）和建筑结构与结构设计研究所（ITKE）已经建造了另一个仿生展亭。该项目是一系列成功的研究展亭的一部分，展示了极度新颖的建筑设计和建造方式，以及模拟制造方法的潜力。该项目由生物学家，古生物学家，建筑师和工程师组成的多学科团队在一年半之内进行设计和建造。

该项目的重点是针对天然纤维复合材料结合壳仿生研究的平行且自下而上的设计策略，以及纤维增强聚合物结构的新型机器人制造方法的开发。其目的是开发用于模块化双层纤维复合结构的缠绕技术，该技术可将建造所需模板减少到最小程度，同时保持很大程度的几何自由度。因此，与进化与生态研究所和蒂宾根大学古生物学系合作，对天然轻质结构的功能原理进行了分析和抽象。通过机器人制造方法的，这些原则被转移到模块化样板亭建造试验中。

—— 生物形态研究 ——

这项关于天然轻质结构的调查是在来自斯图加特大学的建筑师和工程师以及来自蒂宾根大学的生物学家在动物建筑仿生学的跨学科合作下进行的。在调查过程中，Elytron是甲壳虫的翅膀和腹部的保护壳，已被证明是高质材料与高效施工的合适范本。这些轻质结构的性能取决于双层系统的几何形态和天然纤维复合材料的机械性能。这种材料的各向异性特性，允许在保持结构一体的前提下，实现局部材料特性的不同。

与卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的ANKA同步辐射装置和光子科学和同步辐射研究所合作，通过微型计算机断层摄影术提取了各种甲壳虫的高分辨率三维模型。结合蒂宾根大学的SEM扫描，可以分析甲虫壳的错综复杂的内部结构。 Elytra形态基于双层结构，通过柱状双弯曲支撑元件（小梁）连接。小梁内的纤维布局将上部和下部壳段与连续纤维合并。小梁的分布和几何关节在整个甲虫壳中高度分化。通过对多种飞行甲虫物种的比较研究，可以确定潜在的结构原理并将其转化为结构形态的设计逻辑。

—— 材料和结构逻辑 ——

基于不同的小梁形态和单根纤维布置，生成双层模块化系统并植入建筑原型设计中。通过计算机设计和仿真工具的开发，机器人制造和抽象仿生原理可以同时集成在设计过程中。

由于玻璃纤维和碳纤维增强聚合物的高性能（高强度重量比）以及通过纤维铺放变化产生不同材料属性的潜力，建筑师确定选择玻璃和碳纤维增强聚合物作为建筑材料。再加上无限制的成型性，纤维增强聚合物适用于实现抽象的自然建筑原理控制下的复杂几何形状和材料组织。用于纤维复合元件的传统制造方法需要模具来限定形状，然而，这种方法不适合将自然建筑原理转化为建筑应用，因为它们通常涉及独特的元素，这些元素需要大量的模板和难以制造的复杂模具。

—— 机器人缠绕过程 ——

为了制造几何独特的双曲面模块，开发了一种机器人无芯缠绕方法，该方法使用两个协作的6轴工业机器人在由机器人握持的两个定制钢制框架效应器之间缠绕纤维。虽然效应器定义了每个组件的边缘，但最终的几何形状是通过随后放置的纤维的相互作用而出现的。纤维首先在两个效应器框架之间线性拉紧。随后缠绕的纤维彼此拉紧导致相互变形。这种纤维的相互作用形成这种最终状态。

LANDESGARTENSCHAU EXHIBITION HALL

Landesgartensch Exhibition Hall

Landesgartenschau Exhibition Hall

这座展亭是一座样板建筑，展示了当前轻质木结构基于计算机设计和机器人制造的发展前景。由欧盟和巴登 - 符腾堡州资助，该建筑是第一个完全由机器人预制的山毛榉胶合板制成主要结构的建筑。新开发的木建筑不仅提供新的建筑设计方向，并且提供了一种高效的材料利用方式，承重板结构厚度仅为50mm。这是通过综合计算机设计，模拟，制造和测量方法实现的。

展亭是斯图加特大学设想的“机器人木构技术”研究项目的一部分。该项目展示了由当地可用和可再生的木材资源制成的高利用效率和强再生材料的计算机设计，模拟和制造方法的整合带来的新机遇。该建筑引入了一种由山毛榉胶合板制成的创新型机器人制造轻质木板结构系统。它是在计算机设计研究所（ICD，Achim Menges教授），建筑结构和结构设计研究所（ITKE，Jan Knippers教授）和工程大地测量学研究所（IIGS，Volker Schwieger教授）和与MüllerblausteinHolzbau GmbH合作实现。该建筑是一年两次的Landesgartenschau的一部分，在那里举办ForstBW的展览。该项目部分由欧洲区域发展基金（ERDF）和“福斯特和霍尔茨”巴登 - 符腾堡州以及项目合作伙伴提供资金。

木材是人类已知的最古老的建筑材料之一。但是随着计算机设计，模拟建造和测量方法的出现，新颖的机器人制造工艺提供了全新的设计可能性并赋予木材新的应用领域，这些共同构成了由当地可用和可再生资源木材建造的高效高质量建造的基础。以下五个主要方面突出了该项目的创新特征：

—— 生物物理学方法 ——

与人造建筑物相比，生物建筑显示出明显更高的形态分化程度。这种形式和结构上的同构是高资源和建造效率的关键。Landesgartenschau展亭的成功建造，让天然板壳结构极大地引起了人们的关注，因为它们是由各个元素组成的充满“表演性”的施工系统。海胆的骨架是由碳酸钙板制成的模块化系统，通过沿着板边缘的微观互锁突起连接，这与人造手指关节非常相似。

—— 计算机设计与仿真 ——

通过先进的计算机设计和模拟方法，使展亭的复杂板结构得以模拟建造和误差削减。本研究项目中开发的计算机设计工具提供了在设计过程中对复杂结构包括材料特性和制造参数的精确控制可能性。不再是手动对每个模板进行绘制，而是将模板的设计空间纳入模拟和优化过程中以进行自动对应，其中包括机器人制造的参数和约束条件的模拟和优化。

—— 机器人制造 ——

主要焦点在于从几何生成到结构分析和数字制造的一致性数字链。关键点在于利用机器人制造全部243个几何不同的山毛榉胶合板，以及绝缘，防水和覆层的数字化设计和预制。最重要的挑战和创新之一是机器人制造7600个独立指形接头，通过它们的互锁连接，这是建筑结构稳定性的重要保证。在建筑内部仍然可以看到胶合板之间的衔接做法，并且只有通过七轴机器人才能有效地进行生产。工业机器人的运动灵活性是生产这种复杂几何形状的基本要求。类似神经元的板骨架，每一块胶合板都是独一无二的，衔接点也是独一无二的，因此，工业机器人建造更能高效的完成这项工作。预制板壳元件只需要3周。

—— 先进的测量方法 ——

与传统的预制方法相比，本项目开发的制造技术需要允许更高的精度。因此，所有单独制造的模板的质量保证便是面临的最大挑战，为此需要能够在亚毫米范围内扫描的激光跟踪器。此外，完成后的建筑物将重复三维扫描以分析建筑物的长期状态变化。在这一点上，已经有可能得出的结论：胶合板的面内均方差（这是衡量制造精度的指标）仅为0.86mm。与传统木结构的公差相比，这是一个非常低的值 - 特别是考虑到板结构在同一时间构建壳体和完成内表面，这种误差是限定时间内手工非常难以达到的值。这种精确度是木结构建筑连接几何形状的必要条件。

—— 创新木材结构 ——

Landesgartenschau展亭是第一座主要结构由机器人制造的山毛榉胶合板组成的建筑。与许多生物系统中的功能整合类似，平板系统同时形成建筑物的结构和外壳。通过机器人制造的关节有效地传递板周边出现的结构载荷。这种新型木结构允许建筑物仅由50mm厚的胶合板制成。使用当地可用的山毛榉不仅符合中欧未来的林业策略，而且由于材料的优异机械特性，特别适用于轻质木材建筑。

该建筑面积为245平方米，面积约为17 x 11 x 6 m（56 x 36 x 20英尺），建筑面积为125平方米（1560平方英尺），总体积为605立方米。非常薄的承重结构只需要消耗12立方米的山毛榉胶合板。另外，在制造过程中产生的几乎所有斜切废料都被重新用作拼花地板。在对主要结构进行机器人制造和数字预制所有其他建筑物层（例如绝缘，防水和附加层）之后，该建筑物仅在四周内就建造完成。

Landesgartenschau展亭分为两个独立的空间区域，通过建筑物的整体几何形状进行区分：入口空间和主要展览空间。在两个区域中，板结构是由凸多边形板组成的圆顶形状。中间空间或过渡区由马鞍形空间收缩限定，其中壳由凹多边形板组成。游客通过壳体的下部进入建筑物，并通过结构的轻微变窄引导至6米高的主要空间，大型玻璃幕墙向周围景观开放。从生物系统的几何分化衍生而来的构造原理仍然可见，并成为建筑体验的一部分。

Landesgartenschau展亭的开发，制造和建设表明，机器人制造与计算机设计，模拟和测量方法相结合，使建筑师，结构工程师和木材制造商能够跨学科合作并形成以材料选择和制造为导向的设计建造系统。这不仅可以形成高效且节约的建筑材料趋势，而且可以形成一种新颖而富有表现力的建筑形态。

ICD/ITKE Research Pavilion 2014-15

ICD/ITKE Research Pavilion 2014-15

ICD / ITKE研究亭2014-15展示了受到水蜘蛛水下巢穴启发下的新型建筑方法的建筑潜力。通过一种新颖的机器人制造工艺，使得最初松散的气动模板通过从内部用碳纤维增强而逐渐变硬。由此产生的轻质纤维复合材料外壳形成了具有独特建筑特色的亭子，同时又是高度节省材料的结构。

计算机设计研究所（ICD）和建筑结构与结构设计研究所（ITKE）继续在斯图加特大学举办2014-2015年新的ICD / ITKE研究展馆系列研究展馆。这些建筑原型探索了体系结构中新型计算机设计，仿真和制造过程的应用潜力。该展馆是在两所研究所的交叉点开展的，并且在跨学科和国际ITECH硕士课程的背景下开展了合作教学。这个典型的项目是建筑，工程和自然科学的研究人员和学生一年半的研究成果。

设计概念是基于对纤维增强结构的生物构建过程的研究。这些过程与建筑应用相关，因为它们不需要复杂的模板，并且能够适应各类建筑的不同需求。生物体以高度有效且功能完整的方式形成定制的纤维增强结构。在这方面，水蜘蛛（Agyroneda Aquatica）的织网过程十分值得研究。因此，对蜘蛛网的编制过程进行了研究，并分析了行为模式和设计逻辑，将其抽象化并转化为技术制造过程。

水蜘蛛的大部分时间都花在水下，为此它生成了一个强化的气泡用以生存。首先，蜘蛛建立一个水平的薄片网，在气泡下方放置气泡。在重复的步骤中，通过从内部铺设纤维的分层布置来依次增强气泡。其结果是一个稳定的结构，可以承受机械应力，如改变水流，为蜘蛛提供一个安全和稳定的栖息地。这种自然生产过程显示了如何利用生物自适应制造策略来创建高效纤维增强结构。

为了将这种生物形成序列转移到建筑施工应用中，开发了一种工艺，其中工业机器人被放置在由ETFE制成的空气支撑膜封套内。尽管这种膨胀的软壳最初由气压支撑，但是通过用碳纤维机械地加强内部，它逐渐变硬成为自支撑的硬壳结构。碳纤维选择性地应用于需要进行结构加固的地方，并且气动模板同时用作功能集成的建筑表层。这形成了一系列资源高效利用的建设过程。

在设计和施工过程开始时，壳体单元和主要纤维束位置由力学计算方法生成，该方法集成了建造限制和结构模拟。为了确定和调整纤维束布局，之前已经开发了基于代理计算系统的设计方法。与蜘蛛类似，代理计算系统扫描壳表面，为纤维布置生成机器人工作路径。代理行为来源于各种相互关联的设计参数和约束条件。

与自适应计算机设计策略相对应，开发了用于柔性膜内部的碳纤维增强原型的机器人制造工艺。气动模板的刚度变化以及在纤维放置过程中产生的变形对机器人控制造成特别大的挑战。为了在生产过程中适应这些参数，当前位置和接触力通过嵌入式传感器记录并实时集成到机器人控制系统中。这种网络物理系统的发展允许在实际生产条件的变化和机器人控制代码的数字生成之间不断进行传输和反馈。这不仅代表了这个项目的重要发展，而且为适应性机器人施工过程研究提供了新的突破点。

制造过程的单元原型特征导致需要开发定制机器人工具，该工具需要允许基于集成的传感器放置于碳纤维上。该工具的设计与定制成为架构设计过程的一个组成部分。这个过程也对材料系统提出了特殊的挑战。 ETFE被认定为气动模板和集成建筑围护结构的合适材料，因为它是一种耐用的幕墙材料，其机械性能可以最大限度地减少纤维放置过程中的塑性变形。通过使用ETFE薄膜作为气动模板和建筑物外壳，实现了高度的功能集成。这节省了传统模板技术的材料消耗以及额外的幕墙安装。复合粘合剂为ETFE膜和碳纤维之间的适当粘合创造了条件。在生产过程中，九条预浸碳纤维粗纱平行放置。在5km的机器人路径上以平均速度0.6m/min铺设45km的粗纱。这种工艺不仅可以实现纤维复合材料的应力导向布置，而且还可以减少相关的建筑浪费。2014/15年度ICD / ITKE展亭占地面积约40平方米，内部容积约130立方米，跨度7.5米，高度4.1米。总建筑重量仅为260公斤，相当于6.5公斤/平方米的重量。

2014-2015年ICD / ITKE展亭作为先进计算机设计，模拟和制造技术的演示者，展示了跨学科研究和教学的创新潜力。其结果不仅是一种特别高效的建筑，而且还是一种创新和富有表现力的建筑实践。

ICD/ITKE Research Pavilion 2015-16

ICD/ITKE Research Pavilion 2015-16

斯图加特大学计算机设计研究所（ICD）和建筑结构与结构设计研究所（ITKE）完成了一个新的展亭，展示了分段木壳的机器人纺织制造技术。该馆是第一个在建筑规模上采用工业缝纫木元素的实践。它是一系列成功的研究展馆的一部分，展示了架构中计算机设计，仿真和制造过程的潜力。该项目由建筑师，工程师，生物学家和古生物学家组成的多学科团队的学生和研究人员设计和实现。

—— 壳结构的仿生研究 ——

2015-16年ICD / ITKE展亭的发展具有双重自下而上的设计策略，即基于对天然分段板结构的仿生研究和用于缝合薄层胶合板的新型机器人制造方法，该项目从分析楯形目生物的结构形态开始。在木材结构中引入纺织品连接方法，可实现极其轻便且性能卓越的分段木材外壳。

研究人员以前对海胆的研究已经形成了结构原理的转移以及木材板壳方面新的施工方法的发展。在这个项目中，斯图加特大学的建筑师和工程师以及蒂宾根大学的生物学家在跨学科合作中进一步分析了自然分段壳体结构，以揭示其他相关方面。在棘皮动物的分类学门内，两种Echinoidea（海胆）和Clypeasteroida（沙钱）类别生物的形态被认为特别有希望用于形态学原理的转移以及用于综合设计过程的生长程序原理。

与蒂宾根大学一起，为了了解海胆和沙钱的复杂内部结构，对几种物种进行了照片和SEM扫描（扫描电子显微镜）。得出的结论是，这些分段轻质结构的性能不仅取决于其甲壳单元的排列，还取决于双层系统的几何形态和材料内部的差异。然而，最重要的是，除了关节以外，一些海胆物种的甲壳单元通过纤维元件连接，并且可以假设这种多材料连接在维持海胆壳的完整性方面发挥重要作用。

—— 木材运用和结构逻辑 ——

基于生物原理和材料特性，材料系统被开发成类似于砂石二次生长的双层结构。建筑元素由极薄的木条组成。建筑表面的条带是定制层压的，使得纹理方向和厚度与形成具有不同半径的部件所需的不同刚度相对应。因此，最初的平面条可以弹性弯曲以找到预编程中设定的特定形状。在这种变形状态下，元件通过机器人缝纫锁定形状。以这种方式，可以生产151个不同的几何元件，这在装配时可以构成刚性双弯曲壳体结构。

—— 机器人缝合木材单元外壳 ——

在传统木材连接方法之外，木材表现出优异的机械性能和对纺织和多材料衔接适应性方面的高潜力。特别是对于薄层胶合板，多个连续连接通常比较大的单个连接更可取。但是，胶合连接通常需要大型压机或复杂的模板以保持层压所需的压力。

该项目探索机器人木缝纫，不仅可以连接单独弯曲的胶合板条形成一个整体，还可以防止潜在的材料分层风险。采用工业机器人来辅助组装和弯曲生产一个元件的条带，然后通过用固定的工业缝纫机缝合生产预组装段。在制造过程中，机器人将部分穿过缝纫机，以便连接条带。然后沿着其边缘引导分段槽以固定层压板并附接聚氯乙烯覆盖的聚酯纤维膜，从而形成分段之间的连接。机器人和缝纫机通过定制软件集成和控制。这确保了针穿刺过程中没有横向运动。

—— 建筑，工程和生物学交叉的示范者 ——

该馆由151个由机器人缝纫预制的区段组成。它们中的每一个都由三个单独层压的山毛榉胶合板条制成。直径在0.5到1.5米之间，其特定形状和材料组成可根据结构和形态要求进行编程。为这个项目开发的纺织连接可以克服任何金属紧固件的需求。整个结构重量为780公斤，占地面积为85平方米，跨度为9.3米。由于所得材料厚度/跨度比平均为1/1000，该建筑的结构重量仅为7.85 Kg /m²。

整体设计对大学校园内特定场所的条件做出了呼应。它建立了一个半外部空间，将地面地形作为座位景观并向邻近的公共广场开放。同时它通过产生比简单的壳结构更复杂的空间排列来展示生长系统的形态适应性。该展亭展示了生物学原理的综合计算以及材料，形式和机器人制造之间复杂的相互作用如何产生创新的木材建造方法。这种多学科研究方法不仅带来了高性能和高材料利用率的轻型结构，而且还探索了新型的空间设计，并拓展了木结构构造的可能性。

Elytra Filament Pavilion

Elytra Filament Pavilion

Elytra Filament Pavilion可以称之为真正的设计和工程综合方法的结晶。作为V＆A工程季的核心，它展示了建筑设计如何能够从结构工程，环境工程和生产过程的协同作用中被完成，从而形成独特的空间和美学特质。通过强化博物馆中央花园的参观者体验，展示了新兴技术对设计，工程和制作的深远影响。但是，展馆不仅仅是一个静态展示，而是构成一个动态空间和一个不断变化的结构。蜂窝状天棚从建造核心开始生长，并且它随着时间的推移而响应花园居住的模式，这是由实时观测数据驱动的。展馆单元的生产，随着时间的推移而扩大和缩小，为未来城市内部的绿色地区提供了一个愿景，提供回应式的半户外空间，从而实现更广泛的公共活动，从而减少城市公共空间的使用。

—— 设计探索 ——

在展望未来的同时，展馆还从过去引人注目的建筑中汲取灵感：维多利亚温室。它们体现了第一次工业革命对建筑的深远影响，并展现了建筑师和工程师的实验精神，这些精神包含了以真正探索的方式采用新的制作模式和材料的方式。以类似的方式，该装置试图预测所谓的第四次机器人和网络物理生产系统的工业革命如何能够产生新的结构和材料系统。在维多利亚温室中，建筑和环境方面的融合带来了室内绿地独特的体验环境。通过一个透明的，适应性的和日益增长的天篷，该装置旨在将自身拓展到半户外城市绿色空间之中。

第二个设计灵感是活生生的无与伦比的头脑风暴。今天，借助先进的计算机设计，模拟和制造技术，我们可以挖掘巨大的生物储量，并探索在设计和工程中自然系统的基本工作原理。该展馆是四年来对建筑，工程和仿生原理进行整合研究的成果。它探索如何将生物纤维系统转移到建筑。 200平方米的亭子结构灵感来自于大自然中发现的轻量级建筑原理 - 飞行甲虫前翅的纤维结构，被称为elytra。

—— 工程集成 ——

纤维复合材料是自然界的建筑系统。生物学中的大多数承重结构都是纤维系统，其中纤维组织，方向性和密度与发生的力精确地校准。由此产生的高水平的形态分化和相关的资源效率是天然结构的象征。“多形式”使用“少材料”的仿生原理研究直接影响了结构的概念。

该装置的纤维复合结构仅由两个基本单元组成，即屋顶单元和连接可居住地面和顶篷的柱单元，顶棚单元也配备有透明屋顶面板。这两种电池都由相同的承重纤维材料制成：透明玻璃纤维和黑色碳纤维。生产本身就是由项目团队开发的创新机器人缠绕工艺，与大多数其他复合材料制造工艺不同，它不需要任何模具，从而将浪费降到最低。为了制造每个细胞，机器人将树脂浸透的玻璃和碳纤维缠绕在六角形缠绕工具上。在这个过程中，透明玻璃纤维形成空间支架，主要结构的黑色碳纤维被应用于该空间支架上，因为它们比玻璃纤维具有更高的刚度和强度。一旦机器人生产完成，复合材料便会硬化并且缠绕工具可被取出并重新使用。尽管在基本构成方面有相似之处，但机器人制造过程能够实现细胞理论上无限范围的形态排列。

该设备的纤维系统的设计，工程和生产不是基于线性工作流程，而是基于连续反馈回路。由于每个单元的设计，结构分析和适应都是完全数字化的过程，因此机器人制造的机器控制代码可以直接导出。通过区分其纤维布置，密度和方向，每个冠层细胞都适应其特定的加载条件，从而形成非常高效且轻质的结构，重量仅为9kg /m²。

—— EVOLVING SPACE ——

该装置利用机器人制造的紧凑性和通用性作为本地制造的模型。尽管大多数复合建筑元件都是在斯图加特的ICD实验室预制的，但在特定制造活动期间，V＆A的花园仍在继续生产。在这里，原材料 - 用树脂预先浸渍的简单、小而轻质的纤维线轴被用于现场生产复合建筑元件，从而形成额外的树冠结构单元。

由于没有预定的最终状态，天篷配备了光纤光学传感器，可以实时感测结构内的力。这允许监测由冠层的进一步增长和适应引起的结构系统的变化，这是由匿名数据驱动的，这些数据是关于访问者如何使用由热成像传感器捕获的冠层空间以及环境参数的测量一起解释的，诸如温度，辐射，环境湿度和风。实时传感与现场制作相结合，使得树冠成为一个学习系统和不断演变的结构，在展览期间根据花园游客的行为以及他们喜欢的漫步和休息的场所进行增长和重新配置。

树冠构成了一个纤维构造体系，它在结构上具有高度的建筑表现力。它为访问者提供了独特的空间体验，随着时间的推移而变化和演变。天篷也代表了一个实时研究项目，这对于V＆A的历史和憧憬来说是最合适的。

ICD/ITKE Research Pavilion 2016-17

ICD/ITKE Research Pavilion 2016-17

斯图加特大学计算机设计与施工研究所（ICD）和建筑结构与结构设计研究所（ITKE）已经完成了一个新展亭，探索玻璃和碳纤维增强复合材料的建造和规模建造。该新工艺基于纤维结构的独特功能和特点。由于这些材料重量轻且抗拉强度高，因此可以实现完全不同的制造方法，这种方法将无人机的低负载和远程运输特征与强大、精确但工作范围有限的机器人结合。这种协作理念使得大跨度纤维复合材料结构的可扩展制造成为可能。该研究建立在一系列成功的展馆上，研究一体化计算机设计，工程和制造，并探索其空间变化和建设可能性。该项目由建筑师，工程师和生物学家组成的跨学科团队的学生和研究人员设计和制作。

—— 轻质大跨度纤维结构 ——

纤维复合材料在建筑应用中具有巨大的潜力。由于表现性材料特性，它们很容易用于高度工程应用中，例如汽车和航空航天工业。然而，体系结构内的潜力仍然大部分尚未探索。在建筑规模生产中，材料自重是大跨度结构高度关注的问题，轻质纤维复合材料提供无与伦比的性能。然而，我们目前缺乏足够的纤维复合材料制造工艺来达到这种规模，并且不会影响架构和设计行业所需的设计自由度和系统适应性。传统的制造方法需要全尺寸的表面模具，并且通常将过程限制为连续生产相同的部件。先前在ICD和ITKE的研究已经探索了纤维复合材料结构，而不需要表面模具或昂贵的模板。这些新颖的制造工艺已被用于创建高度差异化的多层结构，功能集成的建筑系统和大型组件。他们将相对可塑材料从传统纤维复合材料制造工艺的局限性中解放出来。然而，这些早期调查的规模受到所利用的工业机器人手臂的工作空间的限制。 ICD / ITKE展亭2016-17的目标是设想一种可扩展的制造工艺，并通过开发用于长跨度连续纤维结构的制造工艺来测试建筑应用的替代方案。

—— 建造过程的仿生性研究 ——

该项目的重点是一种自下而上的设计策略，用于大跨度纤维复合材料结构的自然施工过程的仿生研究以及用于纤维增强聚合物结构的新型机器人制造方法的开发。其目的是在更长的跨度上开发纤维缠绕技术，从而将所需的模板减少到最小，同时利用连续长丝的结构性能。因此，天然轻量结构的功能原理和结构逻辑与蒂伯根大学进化与生态研究所和古生物学部合作进行了分析和抽象。两种翅蛾，Lyonetia clerkella和白翅蝇，其幼虫的纺丝“吊床”伸展在弯曲叶片上的连接点之间，被认为是特别有希望转移长跨度纤维构建的形态学原理。

—— 多机器协同Cyber-Physical制造 ——

在标准工业制造设备的工作空间之外创建长跨度结构需要协作设置，其中多个机器人系统可以进行接口和通信以创建无缝纤维铺设工艺。纤维可以在多台机器之间通过以确保连续的材料结构。制造过程的概念是建立在强大和精确的协作之上，固定式机器的有限伸展和移动式机器的低精度，两者协作可以抹除各自的缺陷。在具体的实验装置中，具有纤维缠绕工作所需的强度和精度的两个固定的机械臂被放置在结构的末端，而利用自主的，长距离但不太精确的纤维输送系统来通过纤维从一侧到另一侧，此项目中这种输送系统为无人机。结合无人机与机器人的无限自由度和适应性，开辟了将光纤铺设在建筑物周围或通过建筑物的可能性，从而为单独使用机器人或无人机提供材料布置和结构性能的可能。

开发了自适应控制和通信系统，以允许多个工业机器人和无人机在整个缠绕和光纤铺设过程中相互作用。集成的传感器接口使机器人和无人机能够在制造过程中实时调整其行为。无人机可以在无人飞行员的情况下自主飞行和着陆，因此无人机和机器人的行为都会对无人机的张力进行主动和自适应控制。利用定位系统在机器人和无人机之间建立数字和物理联系，以便在整个缠绕过程中来回传递光纤。这一系列自适应行为和集成传感器为开发用于大规模纤维复合材料生产以及网络物理制造工艺奠定了基础。

—— 协同的范本 ——

2016-17年的ICD / ITKE展亭是通过共铺设184公里树脂浸渍玻璃和碳纤维而创建的。作为一种极端的结构情况，采用轻质材料系统来创建和测试一个总长度为12米的单跨长悬臂梁。表面占地约40平方米，重约1000公斤。实现的结构是非现场制造的，因此尺寸被限制在适合的运输容量内。这种情况更适合于现场或现场制造，这可以用于更长的跨度和更大的纤维复合结构。

展馆的整体几何结构展示了通过多级容积式纤维缠绕来制造结构形态的可能性，通过整合弯曲活性复合材料框架减少不必要的模板，并通过整合机器人和自主轻型无人机制造工艺来增加可能的建筑规模和建筑跨度。它探索未来建设方案如何演变为包含分布式，协作和自适应系统。这项研究通过将结构能力，材料行为，制造逻辑，生物学原理和建筑设计约束纳入综合计算机设计和施工中，展示了计算机设计和施工的潜力。这一系列展馆是适用于建筑应用的大跨度纤维复合结构元件的可扩展制造工艺的概念验证。

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