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游牧装置1.0——以“张拉整体”为结构原型的蒙古包设计

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作者:iStructure
原文链接

作者:张啸 & 永昌

iStructure与FabUnion合作,来自同济大学建筑学院的张啸和永昌给大家分享精彩有趣的100%纯原创张拉蒙古包设计。

(游牧装置1.0-立面图 图片来源:作者自绘)


0 缘起

能参加“2019内蒙古蒙古包设计大赛”是巧合

参赛选手永昌是蒙古族的同学,熟知蒙古包与游牧生活的一切,目前就读于同济大学建筑与城市规划学院,他很希望将自己的所学报答给家乡的草原。

他与他的队友张啸,是在本科阶段“寒地四校联合毕业设计”上认识的,他们在同济也是篮球队队友,于是一拍即合,决定参加此竞赛。张啸在研究生期间学习了一点关于壳体的内容,知道一点参数化的东西。

希望这次“参数化+手工艺

的碰撞能形成有趣的成果。


 

1.1传统蒙古包

十三世纪以来,蒙古族信仰自然,崇尚万物生长之规律。在草原上,牧民根据季节变迁,为了平衡草原生态环境,并长久的生存于此,从而衍生出已游牧为核心的生活方式。以维系“草”与“牲畜”的自然平衡。因此,蒙古族人往往需要按时令,在广袤的草原上四处游牧,因此衍生出了“蒙古包”这一经典的临时性构筑物。

(历史上的游牧生活  图片来源:网络)

(游牧生活示意图  图片来源:作者自绘)

蒙古包经过历史的积淀,也再不仅是牧民的居所,更是历代蒙古族游牧习俗的载体。如今,它成了游牧文化的重要象征,是游牧生活的“物化”。

回归物质本身,蒙古包则是一种“可拆解、易安装”的穹庐。这两点也成了之后设计的核心。

(传统蒙古包搭建过程  图片来源:建日新闻、内蒙古蒙古包设计大赛主办方)

其“可拆解”体现为:节点均为活结点,在拆解的时候并不会对构件形成破坏。

其“易安装”体现为:仅靠几个人力就能徒手安装,构件种类少,施工时长很短。

(传统蒙古包构件  图片来源:建日新闻、内蒙古蒙古包设计大赛主办方)

 

1.2 蒙古包现状

目前,大多数牧民有了自己的宅基地,对长途迁徙的要求降低,都盖起了砖房作为定居点;同时,现代化的机械设备(例如大篷车)也取代了部分蒙古包,而蒙古包作为一种“手工艺”的本质正在被遗忘。

亦或者蒙古包就被作为旅游业的体验项目,使更多砌筑的“蒙古包”坐落在草原上。作者并不认为这些是“要反对的”。它们作为工业化的产物,慢慢替代手工艺,也是那个阶段历史潮流使然。我们要设计的是徒手建造的“蒙古包”,而不是牧民的永久住宅。

(上图:牧民定居导致传统蒙古包需求减少;下图:旅游业带来的混凝土“蒙古包”度假区 图片来源:照片来自网络,图解作者自绘)

作者并不想辩论这些蒙古包的“真假”(存在即合理),只是想从自己的角度,探讨蒙古包借助“数字技术”对“手工艺”传统的复兴。下文将详细解释这一过程:

(通过kangaroo找形获得的蒙古包电子模型与实体模型 图片来源:作者自绘)


2.1 参考案例

在一次偶然的机会,作者读到题为“Parametric Analysis of Tensegrity-Membrane-Structures”的论文,发表在IASS-2017上。文章解释了2012年10月在东京理科大学(Tokyo University of Science)完成的“张拉整体膜结构”构筑物-Moon Pavillion。其“可拆解、易安装”的特点与传统蒙古包很相似。

(“Parametric Analysis of Tensegrity-Membrane-Structures“ 论文插图, 图片来源:IASS-2017)

但是文章仅分析了其受力原理(杆件承受压力,膜承受拉力),并没有公布其“找形过程”。作者想,如果能用Kangaroo模拟这个壳体的找形过程,再反之应用到蒙古包设计上就好了。

 

2.2 原理研究

作者首先根据关键词“张拉整体”,找到了很多结构大师与雕塑家基于这个受力原理的建筑设计创新与雕塑设计。


(先贤们对“张拉整体”结构的探索与创作, 图片来源:Matheus Pereira, Archdaily)

其次,在Kangaroo插件的官方案例中,作者找到了名为“Tensegrity”的案例,打开运行之,看到了神奇的效果:

(张拉整体原型的平衡找形过程, 图片来源:作者自绘)

其核心原理为:将杆件与弦都设为弹簧,杆件的松弛长度(Rest Length)为其原长本身,即没有弹性;而弦的松弛长度(Rest Length)长度设为原长的0.5倍,即预先对其施加拉力。当整个装置各端点受重力时,装置随模拟器运算,逐渐达到受力平衡。

(张拉整体原型的原理, 图片来源:作者自绘)

作者根据上述论文中的张拉整体膜结构描述,发现“膜”并不是处处受拉,而是只在与相邻杆件端点连线上存在明显拉力。

(张拉整体膜的进一步受力细化分析, 图片来源:Parametric Analysis of Tensegrity-Membrane-Structures-IASS 2017)

因此作者提取出其核心受拉受压构件,重新对案例文件的“杆”与“弦”进行布线,进行模拟,于是得到以下效果:

(张拉整体膜的平衡找形过程, 图片来源:作者自绘)

但是这次形成的是单向的拱,而且拱顶有明显内缩,并不可控,也无法形成蒙古包需要的“穹窿”,如何将此原理应用于蒙古包设计是作者下一步的重点。

 

3.1 蒙古包设计-数字找形

作者发现,之所以形成单向拱的原因为:网格布线均为单向布线,因此最终找形肯定是线性空间。要形成穹窿,受力平面网格必须是“环形布线”。在此红线代表“压杆”,蓝线代表“拉弦”。

(作者对基础网格布线的优化, 图片来源:作者自绘)

为实现进一步提高“找形”过程中对织物形态模拟的准确性,作者进一步细分网格;同时为了不破坏受压杆件的几何连续性,作者将网面与压杆接触的端点,都移到杆件的顶点:

(作者对基础网格布线的优化, 图片来源:作者自绘)

网格设定完毕后,作者进行了kangaroo的找形模拟。但是此次模拟作者给整个受力装置增加了一个竖直向上的“初始力”,否则整个装置向上或者向下生长是随机的,具体过程如下:

(作者对基础网格的生形模拟, 图片来源:作者自绘)

 

3.2 蒙古包设计-物理模型

为了给“蒙古包”的布面设置预应力(拉力),作者从淘宝上购入了高弹性“牛奶布”,将其张拉1倍面积后,在其下部衬入基准模板,根据其定位粘贴受压的木棍,承受压力。如此,整个装置就根据其内力,自动“找”到可以使其平衡的形态,具体过程如下:


(模型材料与制作过程, 图片来源:淘宝/作者自摄)

(模型制作过程与平衡过程, 图片来源:作者自摄)

(左:数字找形模拟结果,右:物理模拟找形结果, 图片来源:作者自摄)

(竞赛提交的最终模型, 图片来源:作者自摄)

 

4.1 结论与展望

作者认为,通过张拉整体结构来做新型蒙古包是很有前景的,因为它符合蒙古包自手工艺时代就有的“可拆解、易安装”两大特点。同时其构件也易于收纳,膜布可折叠成一块;杆件可收纳为一捆,非常便于携带。

而且通过力学模拟来设计“游牧装置1.0”,也体现了蒙古包“形”对“力”直接表达的原真性。这种数字化设计方法本身(从材料与受力出发),也可以是拓宽建筑设计的思路,就像工业革命后,现代主义当时提出的“形随机能“;在数字时代,有没有可能”形随性能“。或者”形随质能“?

作者之所以命名此设计为“游牧装置1.0“,其实是希望它还有“2.0”:

(作者对“游牧装置1.0”的有限元分析,图片来源:作者自摄)

通过对整个装置的有限元分析,我们可以知道其材料内部的应力分布,作者考虑是否有可能对其进行分区域,分材料加工,运用数字针织技术完成对蒙古包维护材料(同时也是受力构件)的数字化生产……

 

4.2 后记

能参加本次竞赛,是很开心的,因为在设计的过程中,我们更深入地了解了蒙古族文化,同时也将学到的软件技术运用在设计上,这真的是很幸运的。希望设计本身能为蒙古包的未来提供一种可能性,能为传统手工艺在数字时代的振兴提供一种思路。

作者是一名建筑系学生,经常接触到建筑设计,也不免进行“建筑设计创新作者也经常疑惑,“设计”本身不就是“创新”吗?但是在经历研究生学习之后,作者认为到:建筑设计创新的原动力是分析方法建造技术的革新;它可能和物理环境数据监测、结构设计......很多外因有关;我们要看见归纳模拟应用,但是首先要“看见”。

数字化给我们带来的是看见了之前无法看见的数据,从而优化了现有的布局,数字建造技术带来是突破了传统建造方式的限制,从而获得了不同以往的形态

有时候这些形态看起来很复杂,从设计角度来说没什么必要,但其实为先进建造技术的证明,会给设计本身带来启发。

最后,很感谢主办方、承办方的支持;感谢内蒙好友们在呼和浩特(Hohhot)的热情款待,友谊地久天长!

(作者张啸、永昌, 图片来源:额森呢 摄)

 


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3条评论
Raku
Raku 2019-12-18 19:21:22 回复 0

过于硬核……

冇
2019-12-18 16:56:12 回复 0

硬核文章

木反甲鸟
木反甲鸟 2019-12-18 13:10:12 回复 0

有幸看了他们在内工大的参赛汇报

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作者:iStructure
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