moritz drstelmann：2013-2014年ICD/ITKE研究馆

　　斯图加特大学计算设计学院(ICD)和建筑结构与结构设计学院(ITKE)设计完成了2013-2014年ICD/ITKE研究馆。该研究馆由纤维编织而成，是ICD/ITKE团队正在进行的一系列全方位实验性项目之一。ICD/ITKE团队致力于探索数字化制造工艺，研究新颖高效的仿生设计策略。团队在与生物学家合作研究甲虫壳体的基础上，推出轻量化预制穹顶。为简化研究过程，团队进行参数化建模并使用计算机仿真工具。展馆的建造引入两个大型同步KUKA机器人，它们负责将玻璃和碳纤维缠绕在薄质钢框架上。

　　为深入了解2013-2014年ICD/ITKE研究馆的设计和建造过程，笔者对ICD/ITKE研究小组进行了专访。助理研究员moritz drstelmann详细谈论了研究所的实验目的、团队的建筑理念、今年展馆的独特品质、ICD/ITKE项目的未来预期。视频

　　以下为完整的访谈记录：

　　ICD/ITKE研究馆的总体目标是什么？

　　moritz drstelmann：在建筑史上，展馆常作为建筑师创新设计理念、研究制作过程、分析材料系统的典型案例。同样，ICD/ITKE研究馆作为新颖的计算设计和机器人制造策略的实物模型。其总体目标为发展建筑设计的计算机指令系统，提高建筑的功能整合和材料高效的性能。ICD/ITKE研究馆项目的典型性和实验性使探索新的建筑设计成为可能。ICD/ITKE的每个研究馆均作为新的建筑原型，将进一步考虑其应用场景和未来需求。ICD/ITKE研究馆项目开辟了新的研究领域，并潜在的推动了建筑体系和相关设计与制造过程的全面发展。这样的发展在landesgartenschau展览馆的设计上充分体现，该展馆是2011年ICD/ITKE研究馆的直接跟进项目。在ICD一直研发的复合材料结构的设计和制造中，类似的建筑应用优势也开始出现。

　　该展馆建立的基础是什么，它在哪方面借鉴了之前的项目？

　　moritz drstelmann：所有的研究展馆都是基于同一设计方法学，均采用形态发生的计算过程，整合多个设计标准。并探索建筑设计的解决方案和空间品质。如将制造工艺、材料特性、结构特性整合到建筑形式中。以同样的方式，通过整合仿生建构原则、约束条件、发展机器人纤维缠绕过程、材料特性和结构性能，为2013-2014年ICD/ITKE研究馆开发出综合的计算设计工具。同时，该工具仍适用于广泛的建筑应用场景。

　　在展馆的材料体系方面，延续了研究所一直致力研究的纤维复合材料系统。应用该材料系统建造的第一个较大原型——2012年ICD/ITKE研究馆，通过进一步探究，该材料系统同样应用于2013-2014年ICD/ITKE研究馆。在对纤维增强聚合物的材料特性和适当的制造方法成熟理解的基础上,团队充分利用各向异性材料特性，从而获得纤维复合结构的机械制造专业知识。该知识构成了2013-2014年ICD/ITKE研究馆坚实的知识基础，成为目前ICD研究和教学的理论支撑。

　　展馆作为ICD/ITKE正在进行的一系列实验项目之一，其结构在哪方面尤为新颖独特？

　　moritz drstelmann：2012年ICD/ITKE研究馆采用现场硬壳式结构制备方法，2013-2014年研究馆则采用分段式复合材料外壳的设计和制造过程。使得展馆预制部可分封装运输，并可连接到大而宽跨的结构中。与2012年展馆的极轻质材料相比，2013-2014年ICD/ITKE研究馆旨在开发坚固的双层结构。该结构虽因立面系统、保温隔热装置以及其他技术设施产生额外负载，但仍保证材料的高效利用。与以往工业绕组技术相比，2012年ICD/ITKE研究馆的空心纤维缠绕技术将模具缩小为微型钢架。在2013-2014年ICD/ITKE研究馆设计建造中，该资源高效利用技术由于同步机器人的发展获得进一步开发，同步机器人安装配备可重构工具，可使36种不同几何的复合材料部件在同一工具上生产。

　　在软件和制造业的发展下，展馆的哪些方面在过去无法实现？

　　moritz drstelmann：研究馆是在建筑设计和制造的模式转变背景下开发的，能够促使新颖的设计和结构理念的实现，这在过去是无法做到的。通过材料试验、自定义计算设计工具的发展和新颖的制造理念，每个ICD/ITKE研究馆皆实现其独特的建筑解决方案。方案通常将相邻学科的现有技术转移和结合到建筑应用中，以探索释放新工艺的潜能。

　　自1930年至今，纤维复合材料高性能工程中大量应用。与此同时，机械制造也已广泛应用于自动化生产中。将这两者整合并使其应用程序与综合设计计算连接，可达到一次性复合材料零件的资源高效自动化制造。2013-2014年ICD/ITKE研究馆的复合纤维部件在几何关节点以及组织材料上高度分化，使该建筑原理实现建筑结构中材料高效利用新水平。同时，应用新的设计和制造流程不仅达到驱动性能的效果，而且打开了一个涉及空间品质、结构清晰度、层次细节的新建筑领域。

　　在仿生设计的影响下，建筑和制造将作何改善？

　　moritz drstelmann：仿生结构可满足诸如具体形状、适应外界刺激等基本建筑要求。同样，在建筑设计与生产过程、各种功能和形式生成方面也需要整合。两种情况的建筑在很大程度上受到潜在过程的影响，但模式完全不同。建筑结构主要基于标准化元素，而仿生结构基于形态的发生和发展。这使得高效节能的解决方案演变为基于复杂的几何形状和分化的组织材料。这些本质上的功能形态以及其形成的潜在过程作为建筑应用模型，引起人们的高度关注。然而，模型不能马上应用到建筑设计和结构中，需要仿生调查研究的过程，在对其潜在功能原理的产生更深层次的理解后，才可抽象和转移到技术应用中。如今，仿生调查研究已经进行了几十年，但转化到技术应用中却经常受到阻碍，由于制造过程无法实现几何复杂度和分层组织材料，使其难以具有仿生结构的功能特性。

　　这是之前描述的设计和制造的模式转移——实现自然结构的抽象原理在建筑程序中的应用。在该过程中，计算设计和数字制造技术促进潜在功能原理的转化，以确保仿生结构的材料高效性、适应性和健壮性成功转移到建筑体系结构中。同时，通过机器人制造分化型复合材料组件，使各向异性材料组织策略的转移变得可行。该组织策略可在大多数自然结构中发现，并在材料高效性方面发挥重要作用。

　　生物学和仿生学系统对2013-2014年ICD/ITKE研究馆的设计有何意义？

　　moritz drstelmann：2013-2014年ICD/ITKE研究馆的设计过程具有显著特点，它采用平行自下而上的机械制造策略，并将生物模型应用与功能形态学。在对自然轻质结构的功能原理分析和抽象的基础上，通过开发一个定制的机械制造工艺，使功能原理成功转移到该模块化的展馆原型中。

　　通过调查研究，甲虫翅膀和腹部的保护壳——翅鞘，被证实为高效材料结构的理想模型。其轻质结构的性能依赖于双分层系统的几何形态和天然纤维复合材料的力学性能。由于甲壳素纤维嵌入蛋白质基质，从而产生局部分化的材料属性，使其表现出各向异性特征。翅鞘的形态基于双重分层结构，该结构由类柱双重弯曲支撑元素——骨小梁连接，通过分布于骨小梁的连续纤维连接甲虫壳的上下壳段。骨小梁的分布规律和几何关节高度分化于整个甲虫壳。通过比较研究多个飞行甲虫物种的结构原理，可确定仿生技术的设计规则并将其转化为建筑结构形态。

　　基于分化骨小梁形态学和单纤维编织，双重分层模块化系统在建筑原型中得以实现。通过计算设计和仿真工具的发展，使机械制造特点和抽象仿生原理能够同时集成在设计过程中。

　　建筑工程团队与生物学家及其他学科进行了多大程度的合作？

　　moritz drstelmann：我们认为，在跨学科项目中，建筑领域在很大程度上得益于学科间的思想交流和技术协作。这扩展了设计过程与系统中建筑师的角色，使各领域有意义的整合到建筑中。多学科研究将成为未来发展趋势，这也反映在我们的教学上，我们开设了多学科方向硕士课程：综合技术和建筑设计研究(ITECH)。目前，我们教授来自21个国家的32位学生，课程涉及建筑学、结构工程、计算机科学和生物学。

　　ICD/ITKE研究馆的目标之一是建立新的合作关系，加强ICD和ITKE间跨学科联系。在多学科设计过程中，计算设计模式扮演着重要的角色。它作为融合点，将各个领域整合到建筑设计的过程中。

　　2013-2014年ICD/ITKE研究馆由斯图加特大学的建筑师和工程师、图宾根大学的生物学家和卡尔斯鲁厄理工学院的成像专家的跨学科合作开发完成。项目始于模块中天然纤维复合结构的调查：仿生动物结构由oliver betz教授(图宾根大学进化与生态研究所)和james h. nebelsick教授(图宾根大学古生物学院)作为研究负责人。这些调查在由建筑学、生物学、地质学学生组成的混合团队中实施进行。团队对各种自然结构的建筑原理进行分析、抽象，将其发展为建筑应用程序概念。最终甲壳虫的翅鞘被选为最具研究价值的模型而作进一步调查。团队通过与thomas van de kamp博士合作，利用卡尔斯鲁厄理工学院的(KIT)ANKA同步加速辐射装置和光子科学研究所，提取各种甲壳虫翅基的高分辨率三维模型，并使用微型电脑进行断层扫描，从而对甲壳虫模型进行深入分析。同时，可结合图宾根大学的电镜扫描，分析甲壳虫外壳错综复杂的内部结构。

　　理论转移到技术应用需要强大的工业支持，该仿生技术项目由工业合作伙伴(KUKA机器人有限公司)和斯图加特大学的工程学院(研究所机床、纺织技术和过程工程研究所、飞机设计研究所) 合作实现。这些合作在项目中起到至关重要的作用，如果没有广泛的学科间协作就不可能有项目的顺利完成。

　　您认为ICD/ITKE团队未来在建筑理念和技术方面，将做何研究？

　　moritz drstelmann：ICD/ITKE团队最近收购了合作研究中心TRR 141“生物设计和综合结构”，我们将继续多学科研究和ICD与ITKE的密切合作。在负责人jan knippers教授和achim menges教授的指导下，各种跨学科研究项目将集中于仿生技术，团队将进一步分析和抽象其设计与结构原理，促进其在建筑上的实现。