改性塑料3D打印建造体

全球最大的改性塑料3D打印建造体——南京欢乐谷主题乐园东大门，在2020年11月11日随着园区的正式开放，近期经过近半年验收、运营和使用观察，如今非常完美呈现我们在建筑机器人打印建造技术领域的研发能力与实践水平。 

2020年是不寻常的一年，4月下旬开始，随着疫情的有效控制，该项目进入入口广场与主大门的实施收官阶段。设计团队与建筑机器人协作，全面颠覆了传统意义上的设计到建造的流程，高效、精准地完成了超尺度、高维几何建造体的改性塑料3D打印实施工作。独特的定制化建造体不仅在形象上成为了南京欢乐谷的代表性标志，也完美组织整合了从前广场到主题乐园的空间过渡。

基于计算性几何的多维双曲面在多孔性穿透下得到无限扩展，三维空间的内外折叠增强了空间的连续性，曲面起止的绵延消弱了建筑的边界，入口空间呈现从各个方向接纳游客的欢迎姿态。大门整体采用整体钢结构骨架找形，除屋面不可见的较为平整部分采用部分GRP材料外，其他彩色外表皮采用3D改性塑料外表皮打印的建构体系。 

南京欢乐谷东侧大门长52m，宽26m，投影面积1352㎡，曲面展开面积1950㎡。多维双曲几何体实现的异形不规则悬挑跨度长达30米，挑战的不仅仅是设计难度，更是建造精度。占地18300㎡ 广场成为大门的铺垫与背景，超然愉悦的欢迎之门，为游客开启游园体验的新序章。 

以流定形的场域

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设计范围不仅仅是东大门本身，还包含了整个园区的入口广场及广场地下室出入口的木构大门。方案设计初期，场地中需要统筹的要素颇多——从基地南侧道路到两大园区入口，从北侧复杂建筑界面到地下扶梯出入口，几者共同带来了场地中人群活动的随机性，产生了维度各异、强度不同的人流动线干扰。

为解决该问题，需将人群视作场地中运动的粒子群，通过基于集群多代理系统的自组织粒子群算法对动线进行模拟，再将不同动线转化为矢量要素，使整个广场中的人群行为形成一个复杂的随机向量场。除人群活动外，场地的客观环境中还存在着矢量方向场、漩涡场、点场、排斥力场、向心力场等多个场。 

通过多代理系统，综合场地客观环境中场所形成的空间复合力场，可用来模拟复杂多变的实际环境。在模拟中，将场地的东、西入口以及广场入口视作粒子运动的起始点，将复合力场模型视作真实空间的力场环境，并通过计算分析，得到复合力场对粒子运动轨迹的影响以及对粒子群空间分布的改变。

最终，在人群与场地关系的基础之上，基于集群智能的模拟结果进一步针对模拟结果使用像素化干扰的手段，将场与场之间的复杂关系转化为广场铺装的肌理层次，完成周边大尺度繁杂空间的初步整理与组织。
 

几何拓扑与表皮共舞

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除场地外，建筑形体也需综合多方因素进行统筹考虑。入口周边人流动线复杂、活动种类繁多，如何在融入场地的同时，完成动线梳理并给予形态以标志性，使其几何兼具功能与美学价值，是该项目的核心思想与最终目的。因入口底侧有大量人群穿行通过，两侧有建筑边界向内挤压，若以入口为正形空间，以底侧人流与两侧建筑为负形空间，该入口在图底关系中并不会是规则的多边形，而将成为漂浮在场地中的多维拓扑流形。

设计生形的智能性体现于建筑师与计算机的协作之中，计算性几何拓扑原型发生自数学曲面：a1*sin(x)*sin(2*y)*sin(3*z)+a2*sin(2*x)*sin(y)*sin(3*z)+a3*sin(2*x)*sin(3*y)*sin(z)+a4*sin(3*x)*sin(y)*sin(2*z)+a5*sin(x)*sin(3*y)*sin(2*z)+a6*sin(3*x)*sin(2*y)*sin(z)=0

通过对输入参数a1、a2、a3、a4、a5、a6的动态调节与最终的形态结果比对，最终生成满足设计期待的拓扑几何原型，建筑师进而根据边界条件、视线框景与空间的通达性需求对几何原型进行衍化与操作迭代。

基础网格的形成将为建造形态的生成打下基础。在得出大体形态后，随之而来的是从几何参数出发生成符合边界条件的网格划分，其生成需要经历几个步骤：给定边界（Boundary Input），面骨架化（Su****ce Skeletonization），骨架分解（Skeleton Subdivision）与网格细分（Mesh），最终得到实际建造可用的拓扑表面。 

基于重力场作用，初步形态还需进行结构性能的模拟，优化支撑点的位置，衡量视觉上的通达与力学上的稳定，形成最终的多点支撑体系。拓扑网格中的点特征与线特征往往与结构支承和受力情况相关，因此根据拓扑网格生成的几何网格划分，既符合建造形态，还可将结构体系一并纳入网格划分的参数系统中。

形体掩映中，局部探出的阶梯引导游客拾阶而上，使游客能在不同的高度体验到拓扑几何演绎下的空间多样性，获得丰富的建筑体验。在某个特定的角度，视线可穿过形体中的环洞到达园区轴线尽端的摩天轮，得到打破常规的几何框景。在穿行中，来自各个方向的游客都能在人与拓扑形体的关系中，得到超越几何与空间的回应。

走向大规模生产定制

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走向建筑机器人建造的大规模定制道路并不平坦。团队对于改性塑料打印的研发始于2014年，从单一材料走向复合改性塑料，从单一构件计算走向全局有限元计算，从层级打印到空间打印，从实验室探索走向工程大规模示范，一共经历了6年时间。

期间，2016年我们在悉尼大学RobArch会议上最早发表空间拓扑打印的技术方法；2018年，在威尼斯建筑双年展中国馆展示空间打印展亭；以及2020年完成南京欢乐谷的东大门。时间记录了不仅仅是技术的进步，也记录了从原型、艺术展品到大规模生产建造的全部历程，所以，本项目具有重要的历史价值与社会实践价值。

在复杂几何与智能建造背后，研发设计建造一体化以及软硬件一体化技术平台也成为了我们逐步攀登的“喜马拉雅”。基于参数化设计的拓扑几何形体如何转译为可建造的模式语言？人机协作下的智能化建造如何在疫情的远程背景下，确保建造过程的高效率、高精度、高质量？复杂环境下生成的多维几何形体，亦对数字化语境下建造的技术性突破提出了要求。

整体设计与建造的流程是当代建筑学与建造学的范式革新。团队自主研发的FURobot软件平台，是实现可建造模块语言的转译的坚石。其中不但蕴含着建造要求下的几何规划、板材划分，更重要的是将建筑几何瞬时转译成建筑机器人加工路径规划的能力。

团队研发了复杂模型的局部几何模型自适应反变形算法，将展开面积高达1950㎡的连续曲面转译为可供工厂打印预制的4000余块曲面板材，并远程生成打印路径，最远的设计者疫情期间远在马来西亚，云端协力完成整个设计与机器人控制文件的生成。我们搭建的人机协作的桥梁，实现了设计师的创作情感与大规模定制化建造的有效融合。