Cloud Pavilion Shanghai, China

中國，上海

“云亭”位于上海市浦東新區(qū)臨港新城港城廣場（環(huán)湖西路88號），是由同濟大學(xué)協(xié)同“創(chuàng)盟國際&一造科技”，首次運用改性塑料（Modified Plastic）實現(xiàn)的整體3D打印結(jié)構(gòu)性能化展亭。

該項目旨在將建筑結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計技術(shù)與機器人建造結(jié)合，并用高度集成的方式完成并展示出來。“云亭”的設(shè)計，運用基于結(jié)構(gòu)性能分析的拓?fù)鋬?yōu)化算法，通過結(jié)構(gòu)性能化技術(shù)生成建筑形式，然后將應(yīng)力分布轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)格系統(tǒng)，從而得到變密度的網(wǎng)格形式。同時，在設(shè)計的過程中充分考慮了如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)單元的機器人空間打印。

整個網(wǎng)絡(luò)原型單元系統(tǒng)包含疏密不同的五種單元路徑，密集的單元主要用以承受自重荷載，稀疏的單元主要起到覆蓋作用，使得看似復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在機器人空間打印技術(shù)的支持下?lián)碛凶銐虻目尚行浴；跀?shù)字設(shè)計與機器人建造技術(shù)的支持，“云亭”展現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性能化分析技術(shù)與建筑形式美學(xué)的充分融合。

由機器人空間打印工藝制作成的大型展品的建造重點主要在對抽象建筑造型實現(xiàn)結(jié)構(gòu)合理的“物質(zhì)化”建造，即通過特定的編程語言生成最有效的空間網(wǎng)格來實現(xiàn)連續(xù)建造，力求做到整體結(jié)構(gòu)最輕、用材最省，大幅度提升了建造效率且節(jié)省了可觀的材料開支。今年7月，同濟大學(xué)完成14米跨度MP三維打印步行橋，使用層積式三維打印的技術(shù)方案。層積式三維打印方案在整體強度上有優(yōu)勢，但材料消耗量相對較大，自重較大的劣勢也同時存在。因而此次 “云亭”的打印，是在進(jìn)一步研究中實現(xiàn)了更加結(jié)構(gòu)高效合節(jié)材的目標(biāo)。

亭子的幾何原型選定為長度11米、寬度11米、高度約6.0米的復(fù)雜曲面，由于該曲面部分區(qū)域的曲率過大且前端懸挑過長，傳統(tǒng)的均質(zhì)化空間打印法難以打印出這一形態(tài)，另外，如此大尺度的構(gòu)件在設(shè)計階段還會面臨許多結(jié)構(gòu)問題。本設(shè)計團隊不滿足于空間打印的這個現(xiàn)狀，希望尋找一種新的機器人空間打印工藝，以實現(xiàn)建筑形態(tài)與結(jié)構(gòu)性能完美融合的一體化設(shè)計。本設(shè)計對亭子的三維曲面進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，從而在設(shè)計初期使建筑結(jié)構(gòu)性能得到了充分的考量。

“云亭”采用大尺度空間打印的方式進(jìn)行建造，將形體抽象為空間網(wǎng)格，再進(jìn)行網(wǎng)格打印建造。其在大尺度打印效率和結(jié)構(gòu)性能集成方面具有獨特的優(yōu)勢，是非常具有潛力的建筑三維打印技術(shù)方案。

綜合考慮機器人作業(yè)空間尺寸及適宜的手工操作范圍，亭子被劃分為35塊，每塊的長度范圍在5-7m，高度范圍在1.5-2.5m，并由KUKA機器人進(jìn)行空間打印加工而成。當(dāng)遇到個別曲面曲率過大時，該塊還會被細(xì)分為更小的尺寸以滿足機器人空間打印的作業(yè)要求。

由于空間打印對擠出頭的出料速度有嚴(yán)格控制，這使得空間打印速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于層積打印。本案加工時長為500小時，兩套機器人裝備耗時共計21天。機器人根據(jù)導(dǎo)入的編程語言從左至右進(jìn)行打印，完成第一排水平方向的打印任務(wù)后，再垂直向上移動至下一排的起點坐標(biāo)，隨后依次從右至左完成第二排水平方向的打印任務(wù)，并按照此邏輯完成全部體塊的打印任務(wù)。

所有的構(gòu)件在工廠預(yù)制完成并進(jìn)行編號、分割打磨，然后分批運送至現(xiàn)場準(zhǔn)備安裝。整個安裝搭建過程耗時不到一天，從而實現(xiàn)了快捷、綠色、無污染的安裝環(huán)境。主要的搭建過程包括如下步驟：

1)定位亭子的4個支座坐標(biāo)，并進(jìn)行預(yù)埋處理；

2)依靠場地中準(zhǔn)備的腳手架與鋼板，固定著地的4塊構(gòu)件；

3)以已固定的4塊構(gòu)件為出發(fā)點，依次開始拼裝，并利用扎帶固定相鄰兩塊構(gòu)件；4)完成所有構(gòu)件拼裝后，拆除現(xiàn)場腳手架

在未來，這種機器人空間打印技術(shù)將在建筑復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)、異形模板、形體快速找形等方面擁有廣闊應(yīng)用前景。下一步研發(fā)團隊將在材料和工藝的深化和完善以及配套工藝的研發(fā)方面進(jìn)行進(jìn)一步的探索，將建筑大尺度空間打印技術(shù)推向更為可靠和廣泛的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

“Cloud Pavillion”, a temporary structure made from modified extruded plastic, was recently unveiled as part of the “Sharing a Future Public Space” exhibition within the Shanghai Urban Space Art Season 2017 in Lingang New City. The joint exhibition attracted experts from around the world in the fields of architecture, culture and art. The mission of the exhibition is stated as “introducing public art into a spatial layout in order to build a wider and more open platform,activate the space in Lingang New City and enhance the quality and vitality of urban space.”

Cloud Pavilion aims to combine structural performance-based design techniques from architecture with robotic construction in a highly integrated manner. A structural performance based topological optimization algorithm is used in the Cloud Pavilion design to generate the architecture form. This form distributes stress into a grid system of variable density. The spatial requirements for robotically printing the design were incorporated into the design process.

The entire network contains five types of different densities. The dense zones are used for bearing the load of the structure while the zones of less density provide longer spans used for covering a greater area. Based on the support of digital design and robotic construction technology, the Cloud Pavilion demonstrates the full integration of structural performance analysis technology with aesthetic architectural form.

Due to the cooling rate of extruded thermal plastic, the speed of spatial printing is much slower than layer-by-layer printing. In total the project took 500 hours of printing, 21 days with two robots working at the same time.