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2019德国联邦园艺博览会木质展亭

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    BUGA木质展亭向人们展示了数字化木构建筑的新技术。它的分段木质外壳,是斯图加特大学计算设计与建造研究所(ICD)和建筑结构与结构设计研究所(ITKE)基于海胆板骨架中发现的生物学原理,对其进行了近十年研究的成果。其开发出的机器人制造平台作为该项目的一部分,用于自动组装和铣削展馆的376个定制空心木片,这一制造过程可确保所有的片段像一个巨大的三维拼图一样以亚毫米的精度装配在一起。这个令人赞叹的木屋顶横跨BUGA的一个主要活动和音乐会场地30米,它通过使用最少的材料,创造了一个独特的建筑空间。

 

 

一种新颖的结构和建筑空间

    该展厅的预制外壳木段由两名工匠在10个工作日内组装完成,这次的组装过程不像往常一样需要大量脚手架或模板,我们只需要用可拆卸的螺栓连接所有木段,为了防水再将一层EPDM橡胶箔分成8个条段覆盖在展馆上,再以未经处理的落叶松外墙板作为展馆的外部覆层,所有的这些建筑元素都是为了能够在不同的场地上进行拆卸和重复使用而设计的。

 

 

    虽然展馆的承重木壳有30米的无柱跨度,但其重量只有38公斤/ m2,尽管跨度增加了三倍,规模增加了五倍,但这仍低于LAGA展览馆的基准。BUGA木质展馆将传统木工技术和高科技机器人制造方法结合在一起,展示了高效、经济、生态和富有表现力的木结构建筑的可能性,这个木构建筑就坐落在园区内的大师工艺、数字创新和科学研究分区的交汇处。

 

  



 

    BUGA木制展亭位于BUGA夏季岛屿的波浪状景观的中央十字路口。三个动态的拱门分别在三个主要方向形成极具吸引力的入口,引导游客进入展馆内部。当在展馆内举办音乐会和公共活动时,建筑外表面光滑的弯曲空间,可提供非常好的音响效果,并营造出一种独特的建筑氛围,尤其是在晚上,数千盏LED灯镶嵌在展馆内部的开口中,照亮空间,并使游客们沐浴在微妙、温暖的迎宾光线中。


▼夜晚的展厅 

 



 

仿生轻质结构:分段木质外壳

    BUGA木质展亭为海尔布隆2019年联邦园艺展的中央夏季岛屿提供了一个建筑景点。展馆的设计基于海胆板骨架的形态学原理。继同一个项目团队在Schwaebisch Gmuend研究的LAGA展览馆之后,BUGA木制展馆的研究目标是将仿生分段木壳的建筑清晰度和结构性能推向一个新的高度:每平方米以与LAGA项目相同的少量木材,是否有可能建造一个跨度达到其三倍的木质外壳?这个结构能否保持完全可重用,以便在BUGA之后可以部署在不同的场地上而不会损失任何性能?

    无论是整体外壳,还是其单独的部分,为了实现这一目标,展馆都在仿生原理的基础上,通过“更多的形式”来达到使用“更少的材料”的目的。为了最大限度地减少材料消耗和重量,每个木段由两块薄板组成,两块薄板支撑着木段顶部和底部一圈边缘梁,形成大型的多边形空心木盒。包括一个大开口的底板,构成了一个独特的建筑特征,并在组装过程中提供了通向隐藏连接的通道。轻质建筑元素通过遵循海胆板边缘解剖特征的形态学原理的指形接头连接。在组装状态下,建筑外壳通过其富有表现力的双曲线几何结构作为一个形式活跃的结构。


 

▼展厅细节 


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 ▼展厅施工过程


 

机器人预制:自动化装配与高精度加工相结合

    团队建设的LAGA展览馆中使用的板材与实木板材相比,其中空的建筑部分虽然明显减轻了建筑的重量和材料,但它们却将建筑部件的数量增加到了原来的八倍,导致制造过程变得更加复杂,因此,为了追求更高的资源效率,我们需要与自动化机器人制造的外壳部分的施工速度齐头并进,为此,斯图加特大学ICD和德国BEC有限公司共同研发了一种新型可移动运输的14轴机器人木材制造平台用于生产,该平台位于工业合作伙伴MuellerBlaustein Holzbauwerke GmbH有限公司。该平台包括两个安装在20英尺标准容器底座上的高载荷工业机器人,我们通过工业机器人的灵活性将展馆各个部分的预制步骤集成在一个紧凑的制造单元中。 


▼机器制造

 

    在生产过程中的每一个定制外壳都是自动组装的,这些都需要通过用山毛榉钉临时固定放置的预格式化的木板和梁,并控制板和横梁之间的结构胶连接,在第二个步骤中,复杂的指形接头和开口以300μm的精度加工成片段。从梁和板的组装,到多工具加工和感官处理以及基于图像的质量控制——一切都是完全自动化的,都是由从计算设计框架直接导出的200万条定制机器人代码行控制的。平均每段装配时间为8分钟,而高精度铣削则需要20-40分钟。


▼现场组装 




 

集成设计:反馈驱动设计,工程和制造开发

    新的建筑模式需要新的设计和制造方式来支持。BUGA木质展馆是在合作设计的模式下构思的,通过跨学科团队中不断的计算反馈,探索设计、工程和制造方面的新可能性。在这个项目中,由项目组开发的协同设计算法根据建筑设计意图和结构要求生成展馆各个元素的形状,而所有机器人制造方面都是直接嵌入和协商的。展馆的设计与机器人制造设备的设计同步进行并相互反馈,这是该项目的定制开发。

    这种高度一体化的工艺能够设计和制造有17000个不同的指形接头的376个独特板段,以满足从整体的结构规模到亚毫米的细节的多方面设计标准。在不损失精度的情况下,这种多尺度方法允许同时处理建筑和结构方面的因素,尽管该项目具有开创性,尽管从投产到开放仅有短得令人难以置信的13个月的开发时间,但综合计算过程仍然可以保证对每个建筑元素进行细致入微的精密设计。


▼片匣制造过程 

    BUGA木质展馆坐落于2019年德国联邦园艺博览会的夏季岛屿中。巴登-符腾堡州部长级总统已于2019年4月17日宣布该展览开幕。其数字木质建筑系统和结构的研究,也将在斯图加特大学“建筑综合计算设计与施工”新卓越集群的背景下继续开展进一步的研究。

 

项目数据

    尺寸:  长宽高:32×25×7米,占地面积:500平方米,壳体面积:600平方米,承重木结构重量:368kg /m2
    建设系统:  结构外壳:采用机器人制造的中空结构、多角形云杉单板层压板箱体段,表面涂覆EPDM防水层、三轴cnc切割三层制天然落叶松木板