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【德国】木构Urbach Tower-一体化设计和基于材料编程的自成形建造实例

时间:2020-09-09     作者:吴昊【转载】   来自:iStructure iStructure

中国木材保护工业协会   中国木结构产业联盟

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第八届中国木结构产业大会_副本1.jpg

Urbach Tower 项目介绍

Urbach Tower是一个非常奇特的木结构。先来几张图给大家一个直观的感受。

Figure 1:Urbach Tower美照(来源:ICD/ITKT - University of Stuttgart)

这个2019年建成,坐落于德国巴登符腾堡州Urbach镇的木结构塔已经获得Archilovers Best Project Award 和 DigitalFUTURES Project Award, 还有Archdaily Building of the Year 2020 和 Dezeen Awards 2020等奖项在路上。这个木结构之所以从建成之初就受到那么多关注,主要原因是其曲面构件是自成形(Self-Shaping)的,而不是通过机械塑形(Mechanical Forming)。自成形过程中形态的变化由各向异性的木结构失水收缩驱动,这一原本被认为是木结构“缺陷”之一的材料特性,却被研究者巧妙地运用,发展成为一种新的建造方式。

这种基于材料编程(Material Programming)的自成形建造方式不仅节省材料和能量,还有一种哲学意义上的美。如果说壳体结构的设计和建造需要形与力的高度统一,那Urbach Tower的设计和建造则是数字和自然的完美融合。下面的视频以电影级别的精美画面记录了这个木构塔的设计及建造过程。

Urbach Tower高14m,这是全球第一个利用自成形技术建成的建筑级尺寸的结构。正交胶合木(CLT,Cross-Laminated Timber)具有较高的尺寸稳定性和多向承载力,但大部分CLT还是运用在几何比较方正的结构构件中。复杂几何形状的木制构件现大都采用机械塑形(压,弯等),或者减材制造(切,铣等)得到,这既消耗能源又浪费材料。这个项目巧妙地将CLT正交方向木材性质的差异与曲面形状的生成相结合,让最终几何形态能够通过一系列的CLT尺寸和材料参数进行控制,达到利用材料属性对设计几何进行“编程”的目的。

正如本篇文章题目所述,除自成形建造之外,这个木构塔的另外一个亮点为一体化设计。此处的一体化主要指的是 建筑-结构-制造 一体化,甚至是制造知会设计(Manufacturing-Informed Design)的一体化。即制造,作为整个项目的最大亮点和创新点,虽然从顺序上看属于项目的最后一环,但深刻地影响了设计意图,条件和思路。这与传统的设计不一样,甚至与现在普遍的一体化设计理念也不一样,这是一种基于建造方式的创新(或者说局限)倒逼设计的一体化。也许在计算设计和数字化建造更加普遍和发达的未来,这种制造知会设计的一体化会越来越常见。

Urbach Tower由一个跨学科和领域的项目团队通力合作完成:斯图大学计算设计和建造所(ICD,建筑设计),斯图大学建筑结构和结构设计所(ITKE,结构设计),苏黎世联邦理工和瑞士材料科学技术研究室(ETH & EMPA,木材研究),工业合作伙伴Blumer-Lehmann AG (木材加工和制造)。说不清Urbach Tower是挑战的提出者,还是成果的展示者,无论如何,都让我们进一步了解一下,这个优美的作品是如何产生的。

一体化设计

Urbach Tower从一开始便将形态,结构和制造放入到了一个集成的建模框架里(如下图)。几何和建造的复杂性导致了全局设计变量和局部设计变量的相互影响。从整体上看,建筑形态很大程度上取决于单根构件的曲率。在构件尺度上,CLT的制造和拼装也决定了构件的曲率半径。在细节设计层面,最大的挑战在于不同曲率半径和几何形态的木构件之间的连接。通过考虑结构设计的反馈和制造工艺的限制,总体设计与构件和细节设计不再是从上至下的线性关系,而是需要上下互通的依存关系。由于有了这个集成的建模框架,Urbach Tower的设计和制造可以基于同一个不断更新设计变量的建筑信息模型。团队自主开发的建筑-结构-制造交互工具允许各方方便快捷地交换和修改数据。

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Figure 3:一体化设计框架包括:几何生成,CLT设计,结构设计,连接细节设计,制造工艺设计(来源:(Aldinger, Bechert, Wood, Knippers, & Menges, 2020))

几何生成

Urbach Tower虽然看起来像是由双曲率曲面构成,但由于自成形制造工艺的限制,设计者只能尝试用单曲率曲面来产生双曲率的效果。总体几何是由一系列相同圆柱体进行不同方式的旋转和交叠后得到,如下图所示。一共12个圆柱体,围绕竖轴,上表面依椭圆形轨迹,下表面依圆形轨迹进行旋转,圆柱体交叠和剪裁之后得到木塔的设计内表面。通过更改圆柱体的尺寸,轨迹的位置和大小等,可以得到一系列不同的木塔总体形态。


Figure 4:Urbach Tower的几何生成:A 倾斜的圆柱体上下表面中心点落在轨迹控制线上,B 木塔的内表面由12个圆柱体交叠和切割而成,C 单根曲形构件以及相应的圆柱体和纤维主方向(来源:(Aldinger, Bechert, Wood, Knippers, & Menges, 2020))

出于CLT的曲率,连接细节设计和制造工艺的限制,圆柱体的半径仅被允许在2.0m到3.0m之间变化。CLT纤维主方向垂直于曲率方向,并与圆柱体的倾斜方向对齐。构件曲率的出现可以有效地激发面单元的薄膜效应(轴力参与),以此提高结构的几何刚度。

曲形构件设计

有了木塔的设计内表面,将其进行平移,交叠,切割和结合等操作之后,得到曲形构件的三维实体模型。下图展示了一个曲形CLT构件的制造过程:(1) 制造双层CLT平板;(2) 将其干燥,待自成形完成,得到单曲率CLT板;(3) 将几块弯曲CLT板叠合,拼接和剪裁,得到曲形CLT构件;(4) 对完成面进行涂层处理。

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Figure 5:一个曲形CLT构件的制造过程:(1) 制造双层CLT平板;(2) 将其干燥,待自成形完成,得到单曲率CLT板;(3) 将几块弯曲CLT板叠合,拼接和剪裁,得到曲形CLT构件;(4) 对完成面进行涂层处理。(来源:(Wood, et al., 2020))

曲形构件90mm厚,不同构件之间连接缝采用交叉的十字螺丝进行固定。如下图所示,粉色向量代表每个螺丝的方向和定位,其孔位也需要在组装前CNC钻好。为了保证构件能够更好地对齐,在构件的交界面每隔1m设置了公母卡口。由于在现场应该尽量地减少施工量,所以每三根构件的组装连接在工厂内完成,在现场的构件连接量便减少了2/3。

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Figure 6:曲形构件设计,包括:CLT构件实体模型生成,一体化十字螺丝连接,公母对齐卡口,曲率方向(来源:(Aldinger, Bechert, Wood, Knippers, & Menges, 2020))

一根曲形构件的尺寸达14m,现有的CLT库存并没有那么大尺寸的构件,所以几个CLT库存构件得进行拼接,然后剪裁成曲形构件。拼接处造成了结构的不连续性,刚度和强度都较弱,这对于依赖面单元传递复杂内力的本结构而言是需要着重考虑的。结构的不连续性通过减少在接缝处的材料进行有限元分析模拟。下图展示了如何将几个CLT库存构件进行拼接,制造曲形构件然后组成总体结构,以及接缝处如何影响结构受力。为了将接缝处的不利影响以及浪费的边角料降到最低,曲形构件的拼接设计须进行优化,优化变量为拼接位置和曲形构件的布置,优化过程需考虑库存CLT的尺寸限值。

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Figure 7:曲形构件的拼接和优化:CLT库存构件拼接后用来制造曲形构件;根据拼接设计对整体结构分析的影响对其进行优化,(来源:(Aldinger, Bechert, Wood, Knippers, & Menges, 2020))

结构建模和分析

CLT正交方向有不同的力学性质,其性质也受到不同纤维层叠加的影响。在有限元分析模型里,CLT构件用壳单元进行模拟,各项异性多层纤维材料的性质由等效的正交刚度矩阵描述,并考虑了分层纤维间的剪切变形。每个壳单元网格的纤维方向与其曲率方向垂直,可在迭代过程中参数化地调整。对这个结构起控制作用的荷载为风荷载,风压的取值需要根据对规范的理解及木塔的实际几何形态进行插值。不用说大家也能想到,风荷载的施加作为一体化建模的一部分,也必须是参数化的。

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Figure 8:作为一体化建模的一部分,根据规范和木塔几何形态对其施加风荷载 (来源:(Aldinger, Bechert, Wood, Knippers, & Menges, 2020))

相邻曲形构件接缝处的十字螺丝连接设计是这个项目的重点之一。十字螺丝主要承受拉力(压力可以由CLT承受),CLT壳单元平面内和平面外剪力。其中,拉力和平面外剪力由十字螺丝的轴力承受,平面内剪力由十字螺丝的销栓抗力承担。接缝处的弯矩可以由十字螺丝的轴力和CLT的接触力形成的力矩传递。由于此项目中CLT板的制造误差非常小,可以假设接缝处的相邻CLT板几乎是接触的。

在有限元分析中,十字螺丝被模拟为接缝处相邻两点间的弹簧单元。弹簧单元有三个轴向刚度和一个转动刚度,分别代表十字螺丝的轴向刚度,平面外和平面内剪切刚度,以及抗弯刚度。这些刚度系数和十字螺丝的承载力根据规范进行计算,并输入了有限元分析软件中。整个十字螺丝的连接刚度还与接缝的角度,十字螺丝的空间位置等因素有关系。十字螺丝的空间位置以实现最大连接刚度为目标进行了优化,在此不再详细展开。

曲形CLT板受到轴力,剪力和弯矩的共同作用,在不同的纤维层和纤维方向都有各样可能的破坏方式,这些应力状态还应该叠加上其在自成形过程中产生的初始应力。为了更方便地对每个结构构件在不同状态和工况下的利用率进行评估,需要对计算结果进行后处理和视觉化加工,这对于在每次迭代后直观快速地表现结构响应很有帮助。

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Figure 9:视觉化CLT壳单元和十字螺丝的利用率(来源:(Aldinger, Bechert, Wood, Knippers, & Menges, 2020))

自成形分析

以上介绍了Urbach Tower的一体化设计,接下来我们从材料层面,了解下用来制作曲形构件的单曲率库存CLT板是如何自成形的。木材天生具有各向异性和吸水(失水)性,这是很多生物材料所具有的共性,其也经常被视作木材作为结构材料的缺陷。但如果充分利用这两个特性,将两个正交的木材纤维层叠合,然后让其失水或吸水,则可以制造弯曲的CLT板,并且定型后可以保持稳定形态。

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Figure 10:一个1.2mx0.6mx40mm的云杉双层CLT板在木材含水量(WMC)从22%(平板)下降到12%(曲板)后的形态变化(来源:ICD/ITKE – University of Stuttgart)

下图的A-D分步骤介绍了一个CLT板单元自成形的过程。CLT板由上部较薄的被动层(10mm厚,板材长边是其顺纹向)和下部较厚的主动层(30mm厚,板材长边是其横纹向)构成,中间有非常薄的粘结层。主动层和被动层在黏合前都处于高水含量(22%)的状态,将其黏合,然后进行干燥。在失水过程中,主动层因失水在横纹向(板材长边方向)的体积収缩较大,但其收缩受到体积变化不那么大的被动层的约束(板材长边方向为顺纹向),上下纤维层应变的不同产生了宏观的起拱效应。由于变形协调的存在,主动层主动收缩,被动层被动压缩,所以主动层的合力为拉力,被动层的合力为压力。如E所示,几个自成形CLT单元可以叠合(本项目中2个单元叠合),然后一块冷弯板(类似被动层的纹路和厚度)作为定型板与之黏合,就形成了形态稳定的单曲率CLT板。这样大量的库存CLT板可以按照Figure 7所示进行拼接后生产Urbach Tower的曲形构件。下图中的F和G就列出了两种可能的运用:拱形屋顶和曲形墙体,研究者也在积极探索其他的可能性。

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Figure 11:自成形CLT板的制造工艺和在大尺度建筑上的运用:A-D 实验室尺寸分析和实验,E. 工业尺寸自成形CLT板制造,F-G. 工业级运用 (来源:(Groenquist, et al., 2019))

CLT板的形态随时间和含水率的变化可以通过有限元分析预测。为了能够模拟这一变化的过程,研究者建立了一个精细的包括了木材各向异性和流变性的3D有限元分析模型。下图展示了这一模型采用的流变学模型。木材的总应变包括:弹性应变,塑形应变,湿胀应变,粘弹性应变,机械吸收应变,这些应变在自成形过程中对形态变化和纤维受力有重要影响。

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Figure 12:木材有限元分析模型: A.欧洲榉木和挪威云杉的单元体解剖图(L, R和T分别代表顺纹向,径向和切向),B. 木材的流变学应变示意图,木材的总应变包括:弹性应变,塑形应变,湿胀应变,粘弹性应变,机械吸收应变,C. CLT板的纤维层组成:上部较薄的被动层(板材长边是其顺纹向),下部较厚的主动层(板材长边是其横纹向),中间有非常薄的粘结层 (来源:(Groenquist, et al., 2019))

研究者就欧洲榉木(European Beech,硬木)和挪威云杉(Norway Spruce,软木)对不同厚度的CLT板进行了计算模拟和实验测量。如下图所示,线条表示计算模型结果,

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表示实验数据点,不同颜色代表不同的厚度。计算模型可以很好地预测作为硬木的欧洲榉木的含水量和曲率随时间的变化,以及含水率和曲率的关系,然而作为软木的挪威云杉的计算结果则不尽如人意(过高估计了能达到的曲率)。原因可能在于软木的有些非线性本构关系和局部缺陷影响没有足够准确地考虑进计算模型中。这里也可以看出,在同样木材水分含量变化的情况下,越厚的板材,能够实现的曲率越小。因此Urbach Tower采用了将两个弯曲CLT板叠合的策略,以使单个CLT板厚减小,能够达到预期的自成形曲率。

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Figure 13:榉木和云杉CLT板自成形计算模拟和实验测量的结果对比,列出了不同板材厚度下木材水分含量,曲率和时间的相互关系。作为硬木的榉木计算与测量值较为贴近,作为软木的云杉则有显著差异。在同样的水分含量变化下,板材厚度与自成形曲率成反比。(来源:(Groenquist, et al., 2019))

在板材的不同位置,不同时间点的应力和应变进行研究可以给木材在自成形过程中的受力和形变提供更加微观和本质的认识。下图展示了四个位置(被动层交界面侧,主动层交界面侧,被动层外侧,主动侧外侧)的局部坐标X方向应力和此方向的应变值组成(弹性应变,粘弹性应变和机械吸收应变)。

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Figure 14:CLT板材自成形引起的不同位置的应力和应变随时间的变化:A. 局部坐标X方向应力,B. 弹性应变,C. 粘弹性应变,D. 机械吸收应变。(来源:(Groenquist, et al., 2019))

从应力上看,被动层的交界侧始终是压应力,外侧始终是拉应力,而压应力数值大于拉应力,所以被动层合力为压力加弯矩。主动层的应力则经历了符号变化,以数值变化较大的外侧为例:在失水的初期,由于水含量梯度大,外侧快速失水,产生了拉应力(交界面侧相应产生了压应力);随着水分的散失,水含量梯度变小,而曲率变大,由弯曲变形产生的压应力慢慢抵消并超过了因失水产生的拉应力,压应力占据上风,这样的状态保持到失水结束。另一个发现是,木材应力并不受到板材厚度的影响,不论板材多厚,都可进行自成形制造而不用担心强度问题。只不过由于厚实板材的抗弯刚度高,其在同样应力水平下能达到的曲率就小。

从应变上看,弹性应变和粘弹性应变同一个数量级,占据了总应变的大头,而机械吸收应变则低一个数量级,没有塑性应变产生。粘弹性应变的重要性在于,其作为一个“缓冲”地带,削去了应力的峰值,给了板材在没有塑形变形的情况下消耗能量的可能性。其“缓冲”的诀窍在于时间,由于失水是一个缓慢的过程(这个失水实验持续了900小时,Urbach Tower的板材干燥持续了400小时),木材在自应力的作用下发生了应力松弛(Relaxation)和徐变(Creep)。如果同样的应变被瞬时施加在板材上(比如机械冷弯),其应力值会大幅上涨(甚至进入塑性),弯曲后较高的残余应力也会给厚实板材带来一系列后续问题(开裂,脱层等)。这里仿佛体现出在利用木材这种自然材料进行“自然建造”时某种内在的和谐统一。

感想

木材作为一种很古老的结构材料在近些年获得了越来越多的关注。在温室效应和极端天气愈演愈烈的今天,“可持续性”在设计和建造领域已是一个避不开的词汇。木结构在很多情况下不仅能以更少的碳足迹实现与其他材料相似的结构表现,其独特的温润平静的质感也是很多项目中不可替代的建筑元素。其主要的缺点,如耐火性不好,易受侵蚀,节点复杂,强度不够等,在随着越来越成熟的涂层材料,更加精细化的预制和组装技术,更广泛的木-钢混合构件的运用等慢慢被攻克。貌似写到这已经超过700字没有放一张图了,为了维持大家的阅读兴趣,让我举两个近年来建成的木结构的例子:苏黎世动物园的大象之家,瑞士Swatch蛇形总部。希望以后有机会介绍它们。

Figure 15:苏黎世动物园的大象之家 (来源:Archdaily)

Figure 16:坐落于瑞士Biel的Swatch总部 (来源:Dezeen)

木材易于加工的特性在即将到来的数字化建造时代会被充分发挥,其复杂的节点构造和独特的建造方式甚至会被当做建筑信息化和数字化建造的试验场而受到挑战者的追捧。本文呈现的基于木材自身特性的一体化设计+自然建造,将开辟一条新的木构设计和建造方式,期待更多相关的研究和工程运用!

鸣谢

在此特别鸣谢曾经参与Urbach Tower设计和建造的研究人员对于本文照片&视频使用的授权以及撰写过程中提供的支持与帮助:Prof. Dr. Jan Knippers (ITKE), Lotte Aldinger (ITKE & BRG), Dylan Wood (ICD).

Bibliography

[1] Aldinger, L., Bechert, S., Wood, D., Knippers, J., & Menges, A. (2020). Design and Structural Modelling of Surface-Active Timber Structures Made from Curved CLT - Tower Urbach, Remstal Gartenschau 2019. In O. Baverel, J. Burry, M. Ramsgaard Thomsen, & S. Weinzierl, Impact: Design With All Senses (pp. 419-432). Springer International Publishing.

[2] Groenquist, P., Wood, D., Hassani, M. M., Wittel, F. K., Menges, A., & Rueggeberg, M. (2019). Analysis of hygroscopic self-shaping wood at large scale for curved mass timber structures. SCIENCES ADVANCES.

[3] Wood, D., Groenquist, P., Bechert, S., Aldinger, L., Riggenbach, D., Lehmann, K., Menges, A. (2020). FROM MACHINE CONTROL TO MATERIAL PROGRAMMING: SELF-SHAPING WOOD MANUFACTURING OF A HIGH-PERFORMANCE CURVED CLT STRUCTURE – URBACH TOWER. In FABRICATE 2020 (pp. 50-57). London: UCL PRESS.