大型增材制造海帕壳体结构的参数化设计和模块化建造

来源：Architectural Intelligence

尽管增材制造技术近年来取得了很多进步，但由于大型打印设备的高成本，建筑尺度的3D打印结构仍然存在挑战。为了应对这一挑战，模块化结构通过更小的预制组件和现场安装显示了其独特优势。本文介绍了华南理工大学建筑设计研究院苏朝浩老师团队采用模块化3D打印技术所设计的海帕壳体结构艺术装置。在参数化设计和结构分析的指导下，团队对海帕壳体进行了优化，形成了一个具有镂空蝶形图案的形式。为缩短成品完成时间，使用了数台商用3D打印机完成模块化单元的预制。在广州国际灯光节我们现场组装了这个3D打印的海帕壳体，它夹层构造的灯光设计为夜间效果的展示提供了可能。同时这件作品也在英国经历了拆卸和重建，展示了模块化设计的适应性和灵活性。由此，3D打印结构艺术不仅为建成环境提供了独特美学价值，还通过简化施工流程展示了以低预算建造大型薄壳结构的可能性。

点击链接下载全文：https://doi.org/10.1007/s44223-023-00041-0

创新点

传统的现浇施工由于对建筑环境的危害和资源消耗高，在实践中已成为一种不利的做法。为了实现更高的建筑效率和更低的碳排放，对使用模块化和预制的新型施工方法的需求一直很高。增材制造（即3D打印）的引入，为制造非标准化结构件提供了一条少人工、省材料的新途径。

尽管增材制造技术近年来取得了许多进步，但由于大型打印设备的高成本，建筑尺度的3D打印结构仍然存在挑战。为了应对这一挑战，模块化结构通过更小的预制组件和现场安装显示了其独特优势。本文介绍了采用模块化3D打印的海帕壳体结构艺术研究。在参数化设计和结构力学分析的指导下，我们对海帕壳体进行了优化，形成了一个具有镂空蝶形图案的形式。为缩短成品完成时间，使用了数台商用3D打印机完成模块化单元的预制。在广州国际灯光节我们现场组装了这个3D打印的海帕壳体，它夹层构造的灯光设计为夜间效果的展示提供了可能。同时这件作品也在英国经历了拆卸和重建，展示了模块化设计的适应性和灵活性。由此，3D打印结构艺术不仅为建成环境提供了独特美学价值，还通过简化施工流程展示了以低预算建造大型薄壳结构的可能性。

参数化设计和增材制造等新兴技术加速了建筑行业内正在进行的数字化范式转变。与桌面级3D打印方法相比，大尺度增材制造带来了新的技术挑战，如更重的重量、复杂的边界条件和构件连接方式。构建大型增材制造作品需要机械臂的打印工具包或较小打印尺寸的模块化组件。在这项研究中，我们采用后一种方法来设计和制造一个总跨度为6.6 m，总高度为4.8 m的大型Hypar壳结构。在结合参数化设计和力学结构分析的交互过程的指导下，我们能够在 hypar 壳体表面找到最佳开洞位置分布。考虑到打印机制造能力的限制，我们将整个结构分解成许多不同形状的小模块，并将制造任务发送到多个预制工厂。通过在两个工厂进行这种平行预制，我们能够在 4 到 5 天内完成模块化单元，然后进行安装过程的预演。此外，我们还将数字照明设计纳入结构设计过程，为灯具和电线预留空间。值得注意的是，外壳结构可以拆卸和重新组装以供多次使用。我们在英国兰开斯特和谢菲尔德证明了它们的建筑效率，后来又在香港知专设计学院展出。从环境的角度来看，我们认为进一步的材料回收策略包括将打印模块变成更小的碎片，并将它们转换回3D打印细丝或颗粒，正如“蝶变”壳体完成了完整的蜕变。

3D打印设备和机器人辅助技术的最新发展使我们能够构建更大的组件，这将使增材制造技术更适合建筑行业。同时，模块化设计方法现今仍适用于3D打印部件的标准化，即通过设计更好的连接件进行构件的重复使用和再组装。我们希望这个案例研究可以提供指导，并激发对3D打印结构的模块化设计和制造的进一步研究。潜在的研究方向包括模块单元和空间结构的优化，高速大尺度打印设备的开发，功能或能源与3D打印预制构件的统一成型，材料回收策略等。我们设想，大尺度增材制造将补充传统的建筑技术，为设计师在智能建造时代设计轻量化和定制结构提供更多的自由。

海帕外壳的生物启发设计。(a) 受力机制。(b) 在按比例缩小的 3D 打印外壳上进行试验。外壳的试验。(c) 典型的翼型及其变化[44]。(d) 具有生物启发镂空图案的外壳。

受蝴蝶翅膀启发而设计的海帕 外壳的总体设计流程图。

基线海帕外壳 (a) 几何参数；(b) 不同升跨比海帕外壳的应力分布；(c) Voronoi 多边形的应用；(d) 镂空图案的生成。

带有镂空图案的海帕外壳的形状优化过程

海帕外壳的数值分析。(a) 静载荷下的应力分布。(b)风荷载下的应力分布。(c) 屈曲分析得出的特征值形状。

模块单元的组装。a 两种连接器；b 带有 12 个较大组件的海帕外壳。c 3D 打印面板内的照明光源。

照明设计和测试。a 照明安装孔和凹槽的参数化设计 b 照明效果测试 c 夜景实际照明演示

作者和机构
School of Architecture, South China University of Technology, Guangzhou, 510641, China
Chaohao Su

Architectural Design & Research Institute of SCUT Co., Ltd, , Guangzhou, 510641, China
Chaohao Su, Meiqin Yuan & Yi Fan

School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou, 510641, China
Lu Zhu & Nan Hu