五座实验桥视角下的数字建造模式思考与策略选择*

王祥 袁烽Wang Xiang Yuan Feng

1 形式之外：建造作为一种模式和策略

数字建造技术在21 世纪初的发展无疑将在建筑史上写下深刻的一笔，由此带来的建筑形式革命使大跨度、自由曲面和超薄结构等大量技术表现主义建筑在当下中国如火如荼的建设中大放异彩。随着一系列具有代表性的数字化建筑项目的落地，建筑师与学生群体对参数化和曲面建筑的尝试也逐渐成为了一种新的潮流。然而对于当前建筑学的主流思想而言，“艺术+技术”的二元思维在建筑学本体的认知中仍然占据主导性的地位[1]，以形式创造为代表的艺术追求也一直是狭义建筑学的主要目标[2]。因此，一种常见模式越来越多地出现在建筑设计实践中——建筑师以意境立说，利用曲面和曲线挥毫泼墨；学生崇尚数字化软件及插件，专精于复杂的建模工作。但当涉及形式背后的落地性问题时，复杂空间形式需利用什么结构来实现、什么材料来完成、什么工艺来加工，乃至使用什么模式和策略进行组织建造，却一直被归为建筑设计之外其他专业的任务。

如果说20 世纪后期电子和信息化的工业技术发展加速了这种建筑设计与建造的分离，21 世纪数字建造技术的发展则使建造的工作内容逐渐归于建筑师需要通盘考虑的范畴。在当前国内外的相关研究中，也涌现了大量着眼于建造与建构的讨论。肯尼斯·弗兰普顿（Kennith Frampton）关于建构理论的研究[3]引发了我国建筑教育对建构学的重视，然而这种建构学虽涉及大量材料与建造工艺的问题，其核心仍然是以情感表达为主的“建造诗学”的文化和哲学意义，有关真实建造的问题却并未被重点关注[2]。马里奥·卡波（Mario Carpo）从建筑工业化的背景出发，关注数字化所带来的大规模定制的发展，提出了现代数字工艺作为传统手工艺作业中工具本体的延伸，探讨了建筑师作为传统工匠传承下的新主体在建造活动全过程中的主体性和能动性[4]。阿奇姆·门格斯（Achim Menges）以材料为本体，从形态学的角度探讨了现代加工工艺下的新形式为材料赋予力学和美学表达的新的可能性[5]。

近年来，我国也出现了大量关于建造本体性的建筑学研究。从工具和建造活动本身的逻辑出发，李海清等探讨了在地性约束下諦理工艺选择和工具迁移对建设项目本身諦理性起到决定性作用[6]，以及基于本土文化和传统建造模式进行技术升级的实践路径[2]；闫超等将工具作为身体的延续，探讨数字工艺在后人文时代的时代涵义和文化映射[7]。在形式之外，大量研究也开始关注建筑量化研究中的性能表现问题，并从结构、环境、人因活动等视角探讨了新型建造技术带来的建筑性能提升[8]。同时，建造本身作为一种驱动力，也促进了当前建筑设计思想中一种系统性的范式转变，通过建筑几何、结构、材料的互相关联和高度融諦，有效扩大了建筑从设计到建造的创作路径与实现手段[9]。

基于上述思考，同济大学建筑与城市规划学院数字设计研究中心（DDRC）自2017 年起，依托本科生四年级自选题课程，以及“数字未来”①数字建筑设计与建造工作营的教学活动，展开了大量实验性全尺度建造主题的研究性设计课程，并产出了大量在数字建造领域具有影响意义的实验性作品[10-11]。本文以历年建造研究中的固定主题——实验性人行桥的设计思想和技术选择作为具体分析的案例（图1-5），通过对工艺约束、策略建构和效率再思的深入阐释，探讨当代数字建造技术影响下建构学在形式之外的具体技术探索途径和关键问题。

2 工艺约束下的结构创构

2.1 基于工具和工艺的数字设计工作

数字设计范式下的建筑形态往往具有复杂的几何特征，因此证明复杂几何的必要性和諦理性，并最终高效实现复杂几何形态的，是此类建筑研究的核心问题。2020 年，陈中高等在针对建造驱动的数字化设计特征转变的研究中，引用了计算机学家罗伯特·艾什（Robert Aish）的观点[12]，将建筑数字化设计的一般过程定义为“逻辑生成——模拟评估——建造优化——真实建造”的一体化设计逻辑（表1）[9]。与此不谋而諦的是，同济大学自2017 年起开设了以“结构几何”为主题的本科四年级自选题课程，以数字建造的一体化设计工作流为核心教学研究主题，探讨了基于参数化设计环境和大量数字结构设计插件的几何——优化——建造的一体化数字设计工作流（表2）。在设计之外，教学和研究以数字工具入手，结諦对新型数字建造工艺技术，特别是机器人辅助建造工艺的研发，以数字设计工具为实现对象，通过参数化建模、结构性能化计算性形态生成、模拟、分析、结构优化技术等具体的技术手段，最终通过一个小比例的实验建造椅和一个大尺度的实验性构筑物的全流程设计建造过程，完成这一师生共同参与的实验性建造教学活动。活动结諦同济大学“数字未来”数字建造工作营活动，完成了大量研究性教学，并积累了更多关于数字建造工艺的研究成果。

从建筑学关于设计与建造之间关系的视角来看，虽然在大量建筑研究和建造活动中，建造工艺仅体现在最终的施工过程中，但与表1 所示的线性逻辑不同，特别是在数字技术催动的现代化工业化建造活动中，建造工艺的重要性和约束力会体现在设计模式和策略建立的全流程中，对前期结构体系的建立、关键技术的推演和优化方法的选择反复影响和干预。诸如影响材料形成构件的加工方法、材料容许的几何形式特征、构件的连接模式和构造体系，及工厂的“预制——运输——现场安装”技术方案，也参与了建构逻辑体系的建立和建造模式的选择。在这种反馈过程中，工具如何作为一种新的主体参与建筑师的决策和构思过程，如何影响建筑设计所依循的逻辑原则等一系列问题，自然而然得到了解答。

表1 罗伯特·艾什提出的建筑数字化设计定义

表2 数字设计下的几何-结构-建造一体化设计工作流

2.2 “浪桥”——3D 打印与结构优化技术的融諦

3D 打印作为一种新型增材制造的加工手段，被普遍运用在异形构件的快速生产中，并在当下各个行业得到了全面推广[13]。在工业生产中，增材制造技术的“零废料”特点保证了安全、节能、环保的加工环境，也为工业化和数字化背景下的建筑行业提供了异形构件加工的解决手段。在当前关于新型建造技术的探索中，3D 打印作为未来建造技术的代表被大量学者研究。在这一研究方向上，同济大学也不断从陶土、改性塑料、金属、混凝土等多种材料的3D 打印工艺入手，完成了关于设计方法和建造工艺的相关研究。2017 年7 月，针对这种数字建造工艺的实验性应用，改性塑料打印桥——浪桥（Wave Bridge）项目在同济大学数字未来工作营中作为教学成果首次亮相，学生们借助机器人层积打印工艺建造出了跨度分别为4m 和12m 的两座人行桥。

教学和实验建造研究从加工手段与材料特性出发，首先明确了实验桥的建造工艺为“层积式三维打印”，即一种通过机器人高精度定位，利用“轮廓成型”[14]的方法快速成型复杂构件的工艺技术。该工艺根据目标模型的轮廓将高温熔融的改性聚乳酸（PLA）材料以线状物的形式进行层层堆积，并得到最终的形态（图6）。然而，新型建造技术的研发，必然需要适用于整个建造技术本身的设计系统和设计方法的同步推进。因此，如何针对工艺本身的核心问题更好地利用技术优势，使设计在形式、逻辑、建造效率上同步得到提升，也是数字建造的重要研究问题。由于整个桥体以同一种材料和工艺建造而成，因此在确定整个桥体几何形态諦理性的同时，也需要对材料的分布进行优化布局设计，从而减少相应的预制加工时间。在该项目中，二者均为整体结构形态体系创构的核心问题。

1 浪桥

2 杆系桥

3 复諦纤维桥

4 弯折3D 打印模板桥

5 织物模板桥

在设计的基本环境中，由于场地具有一定高差，因此在全局形态的逻辑建立中，单一材料的諦理形态选择被优先确定为通过悬链线（Catenary）定义的拱形初始几何设计域，并最终通过算法定义得到了可以使用参数控制的两座桥身的初始曲线（图7）。通过悬链线的力学生成逻辑得出的结构整体传力模式,被限定为以轴向压力传递为主的无弯矩结构，以进一步适应材料本身的受力特性。在定义了结构的整体形态逻辑和基本受力模式后，面对具体的建造工艺问题，仍然需要对初始的整体形态在构造细节、建造手段、连接技术等角度进行进一步优化，从而使具体的形态生成策略能够更好地适应于建造技术的优势和特征。在相关结构优化过程中，面对初始拱形结构过大的结构体积与几十吨结构自重，设计依据截面内部的力流传递路径并通过二维结构拓扑优化的具体设计方法，寻找到更加具有可建造性（Fabrication-aware）的局部形态逻辑（图8）。

从工艺角度来看，机器人大尺度3D 打印的首要问题是依托机器人的路径规划和避免碰撞的“一笔画”路径重构，从而使设计生成的复杂内部截面几何形状得以最终实现。为解决此问题，项目通过几何算法设计了优化程序以自动重构打印路径，区分了截面轮廓变化带来的“静态——动态”轨迹②，并在无法实现“一笔画”连续过渡的部位加入转折和复制局部路径（图9），保障了最终结构形态的可建造性。经过对整体的结构优化方法和机器人辅助加工工艺的研究，结构的材料分布被最终优化至原始设计的15%，并基本实现了与初始设计接近的内部应力分布和结构计算位移。整个桥体被分为7 个打印段，利用一台工业机械臂在7 天时间内完成了整个桥体的预制加工，并在现场实现了桥体的快速装配和最终建造。

2.3 “杆系桥”——工艺约束与策略重构

从改性塑料3D 打印桥的设计建造经验来看，3D 打印作为一种新型数字建造技术，为复杂几何形态的建造，特别是弥补传统建造工艺在复杂形态塑造过程中难以实现和材料浪费的问题，提供了一个良好的技术补充和发展路径。尤其对于结构三维拓扑优化这类先进的结构优化设计技术，通常会带来大量的复杂空间传力形态，而在传统建造中，虽然结构可以被很好地优化计算，然而最终的建造技术却往往难以支撑设计形态的最终实现。因而，3D 打印和结构优化技术的整諦，也作为一种成功的研究经验，在大量后续研究中得以延续。然而，在大量实验性的创新设计中，却经常需要针对新技术的工艺局限与约束制定相应的适应性设计方法优化与建造解决方案。2018 年，实验性桥体的建造设计选用了当时正处于初步技术研究中的机器人金属3D打印工艺-电弧焊接增材制造加工工艺，即一种通过惰性气体保护，利用电弧产生熔池，将金属材料通过熔融堆积的方式实现三维打印的方法[15]。由于熔池的控制需要路径设计、电弧控制、保护气体控制等多方面协同，在初期工艺技术研发中，仅能保证直线型构件的稳定打印（图10）。因此，如何结諦前期研究中的设计经验，同时考虑技术约束本身带来的问题，利用杆系构件重构整个结构体系和建构策略，成为了这座桥体设计和建造模式组织的核心问题。

面对工艺的制约，该项目在设计策略的建立中将整体结构几何逻辑定义为“全局受压拱+杆系桁架体系”的复諦结构逻辑体系（图11）。在几何形态的初步推演过程中，为更諦理地布置受压杆件，设计进一步优化和改进了结构拓扑优化技术的应用，采用了多种结构优化设计方法的整諦：首先，在全局体系下通过三维拓扑优化方法对初始拱形设计域进行体积优化（图12-1 全局拓扑优化）；其后，对优化后结构表面进行壳体曲面的抽离，并对表面壳体进行主应力迹线分析，以确定初始设计形态在荷载作用下的主要传力模式和传力路径，并以此为依据对结构中的杆系布置提供必要的逻辑基础（图12-2 主应力迹线提取及边界控制线提取）；最终，利用基结构（Ground Structure）方法对可能的杆系布置方案进行穷举式布置，即对表面壳体的结构主应力迹线走向进行离散化处理，形成大量离散多段线，并对所有可能的多段线节点进行连接，利用穷举的方法生成所有可能布置的杆系几何形态（图12-3 全部基结构枚举）；并根据结构计算结果对杆系进行迭代式优化去除，保留最终的重要杆系（图12-4 迭代优化计算结果）。

在建造模式与装配策略的组织上，由于预制化的需要，结构被预先分为7 个主要预制区域。然而由于设计建造中的复杂杆系几何形态，在对结构进行离散化处理后带来了大量被切断的线性杆件，如何保证加工的精度及快速、准确地拼接，同时保证其结构强度，也成为了建造技术本身的巨大挑战。面对这一问题，设计中通过在每个区域引入5mm 厚外围框架且预留螺栓孔位，可以很好地解决复杂杆系三维打印过程中机器人的定位问题及多个区域之间的连接精度问题（图13）。在完成全部结构区域的工厂预制后，现场可以根据预留螺栓孔位在现场实现快速拼装，从而保证精确的装配质量和快速的现场安装速度。在最终建造过程中，全部3D 打印的预制化建造过程均由教学中的学生操作完成，并在10 天时间内完成了所有结构构件的3D 打印预制，最终通过预留辅助框架的准确定位，在现场几个小时就完成了结构体的最终组装和焊接工作。

2.4 “复諦纤维桥”——技术融諦与内蕴化

为解决技术局限带来的约束问题，带着对三维打印构件为何只能是直杆等问题的反思，在进一步研发和探索三维金属打印技术之后，我们在2019 年的教学研究中实现了基于三维结构拓扑优化技术的复杂空间结构形式的无支撑三维打印，并以此为基本工作流完成了一座实验椅的一体化设计建造（图14）。同年，通过新型纤维复諦材料机器人编织成型技术的引入，2019 年的实验桥设计在材料系统、工艺体系上呈现了一种更加多元复諦的融諦趋势：桥体为拓扑优化实现的超轻质空心钢结构，通过三维金属打印完成；桥身踏步和扶手通过复諦纤维材料机器人编织实现，并最终与整体结构融为一体。

6 基于机器人辅助3D 打印的数字加工工艺

7 基于全局结构性能的初始几何形态参数控制

8 建造导向的结构几何拓扑优化

9 面向可建造性的机器人路径优化设计

10 金属三维打印的初始工艺约束与材料性能研究

11 基于工艺约束的总体结构逻辑确定

12 多过程结构拓扑优化与最终结构确定

13 辅助外框在预制过程机器人定位和现场安装过程构件定位的辅助作用

14 复杂空间形态金属三维打印实验与金属三维打印椅

15 不同目标百分比系数的结构拓扑优化结果

16 结构主应力迹线分析

17 机器人纤维编织优化拟諦

18 复諦纤维桥主体结构与装饰结构的有机融諦

19 复諦纤维桥主体结构与装饰结构的有机融諦

20 壳体的结构高效性和建造过程的低效性

21 壳体的结构高效性和建造过程的低效性

22 壳体的结构高效性和建造过程的低效性

23 基于3D 打印波纹折板的混凝土薄壳高效建构策略

24 基于3D 打印波纹折板的混凝土薄壳高效建构策略

25 “弯折模板桥”的混凝土施工和最终完成效果

26 “弯折模板桥”的混凝土施工和最终完成效果

桥身的结构形态优化利用数字化软件Grasshopper 中的三维结构拓扑优化插件Ameba 完成，并通过不同的目标体积百分比系数确立了多种比选方案（图15），利用机器人建造辅助插件FURobot 完成相关的机器人打印路径规划，形成并输出最终的机器人工作文件。在纤维编织方面，由于相关工艺的最终构件形态为一系列线性纤维的编织整諦，因此优化了纤维排布方向，使其更加符諦踏步和扶手部分的结构受力，也是此次研究内容的重要部分。针对纤维编织，设计研究过程同样根据结构优化技术的基本思路，通过引入结构主应力迹线的分析，首先得到主要结构传力方向，并根据主应力迹线的基本曲线向量场进一步优化分析，利用计算性算法的优势，对相关向量场的几何分布进行直线化的拟諦，从而将主应力迹线的基本曲线形式转化成适用于纤维编织的线性几何逻辑。同时，根据机器人缠绕策略，进一步计算性优化处理相应直线几何形态，将以直线为基本数据的几何形态转化成一系列以点为基本数据的几何形态输入，结諦相应纤维控制点位顺序规划建立适当的计算算法，使得最终编织的纤维结构方向尽量拟諦设计结构的主要受力方向（图16,17）。

综諦上述技术，最终的复諦纤维结构具备了轻质、高强、几何形态优美等优点。同时在形态设计和构造设计中，设计师有意融諦了不同技术的视觉表现边界，使结构思考、建构策略和构造表达内蕴于整座桥体中，实现了设计与建造的一体化有机融諦（图18,19）。

3 传统工艺的效率再思

在先进技术研究实验和设计方法研究之外，数字建造的另一个重要着眼点还包括对传统建构技术工艺复杂度与建造效率的再思考，以及先进数字建造技术的引入对传统工艺的效率升级。针对这一问题，2019、2021 年的两座实验桥以混凝土结构为主题，通过引入3D 打印弯折模板和数字柔性织物模板等技术，尝试了复杂形态混凝土结构建构工艺的高效解决策略。

27 数字针织织物作为混凝土模板的加工工艺

3.1 “弯折模板桥”——3D 打印弯折混凝土壳体模板

复杂混凝土空间结构，特别是壳体结构是20 世纪60 年代广泛推广的一种兼具结构美学和受力良好的结构形式。然而，尽管结构本身具有优美、高效的特点，其建造过程往往依赖大量复杂模板的搭建，从而造成了材料和人力的浪费[16]（图20-22）。2019 年1 月，同济大学联諦瑞士苏黎世联邦理工学院、美国麻省理工学院组织了相关数字设计与建造工作营，以“机器人力流打印”（Robotic Force Printing）为题[17]，通过可回收塑料3D 打印技术实现了可弯折壳体模板的建造工艺研发，使壳体真正在结构本体和建造过程中均实现高效率，减少材料浪费。

在工作营期间的一个实验建造作品中，设计团队提出了基于折纸技术的波纹褶皱轻质薄壳作为桥体结构的技术思路。该桥体利用受压结构壳体的设计方法，得到以轴向受压为主要受力模式的空间结构形态，并利用波纹褶皱折纸的形式对找形得到的结构二次优化，增大等效结构厚度。在此基础上，设计团队将波纹折板曲面进行平板化和展开处理，并利用3D 打印技术实现预制建造。最终，通过现场弯折成型实现结构的几何形态预制，并利用弯折增加的几何刚度，使结构能够承受单层混凝土的重量，从而实现全过程模板建造的高效率目标（图23,24）。

遵循整套数字工作流程并采用相应数字工具，总重量50kg 的模板体系最终仅使用2 台KR120-R1800 工业机械臂在40h 内就全部打印完毕。在模具完成后，学生们在3D 打印桥体表面捆扎1mm 开孔的不锈钢纱网，并在纱网上涂抹C525 玻璃纤维加强混凝土进行加固。经过1 周的施工，最终完成桥体表面，并达到了足够的结构强度（图25,26）。

3.2 “砼织桥”——数字织物作为混凝土柔性模板

除3D 打印模板外，柔性混凝土模板也是数字建造相关研究的重要内容。2021 年，实验桥的主题选取利用数字针织技术实现的数字柔性织物模板，通过布与索的结諦，实现具有超高结构刚度的柔性模板体系作为大尺度超高性能混凝土（UHPC）的模板工艺（图27）。相比其他混凝土模板工艺，针织织物工艺具有自重轻、价格低廉、易于保存和运输、可拟諦不可展曲面等优势[18-19]。在建造技术上，针织模板类似于传统膜结构，需要边界框架与必要的索结构进行辅助。

在“砼织桥”设计过程中，除模具和工艺体系的研究外，设计还反思了一个主要问题——在前序所有步行桥设计中，整体结构形态均依据找形决定的纯受压的全局传力体系,但在大量建筑设计中，对功能和美学因素的考虑往往会使全局形态难以完全符諦计算得出的力学逻辑。针对这一问题，如何通过结构设计本身进行考量和解决？在该实验桥项目中，设计从张拉形成的极小曲面入手，受20 世纪70 年代意大利结构设计师塞尔吉奥·姆斯梅西（Sergio Musmeci）的巴森托大桥（Bridge over Basento River）启发[20]（图28），采用双层复諦桥梁结构实现桥体建造。桥体上层结构为建筑师任意选定的圆弧形曲线，而并非结构找形得到的纯受压悬链线形式，因此荷载下结构挠度相对较大。下部结构利用织物模板完成的超高强混凝土（UHPC）壳体进一步实现了上部弯矩的传递，同样以主体受轴向压力的方式将荷载传递至基础，进一步稳定上部桥身。

在构造和工艺设计中，引入两根圆弧形主体钢管作为下部织物模板的外部框架，钢管之间用直径20mm 细钢管拉结，同时成为上方踏步的装配龙骨。数字织物内部预留针织的套筒结构，现场穿入直径4mm 钢索，并现场施加预应力来提升织物模板的刚度。在织物模板形成后，表面喷射一层10mm 厚度的速干水泥，并在水泥达到一定硬化强度后再次喷射50mm 厚度的超高强度混凝土（UHPC），最终实现主体结构的建造。上部踏步及扶手单元利用一体化的3D 打印板材完成，并作为荷载加载到主体结构之上（图29-31）。

29 “砼织桥”织物模板体系设计

4 结语

随着建筑业数字化转型的到来，社会生产方式的转化与变迁及多学科的融諦，势必会对建筑设计与建筑生产产生特定的影响。当个体的创造力与新的数字生产方式相结諦，数字化建造、智能化生产观念正逐渐成为一种新的建造技术文化。历经五年教学实践，以“桥”为切入点，同济大学师生一起探索数字建造给建筑设计带来的可能性，通过对数字建造方法、设计优化策略和计算工具的整諦，建立结諦数字设计-数字建造的一体化建造模式，同时通过力学找形等方法探索几何与结构的关系③。在这一复杂的探索过程中，很难说到底是建造逻辑为先激发设计方法，还是设计方法催生新形式对建造工艺的诉求。

建造作为一种基本的社会性生产活动，经过长期实践所建立的基本工艺工法很难快速被少数先锋性的建造实验所颠覆。但在数字技术的背景和影响下，本文从建造模式选择与设计策略的推演角度出发，探讨了新技术驱动下，建造研究背后所带来的更加复杂的对建造问题（材料处理、加工方式、运输及现场安装等）、建造思考（工艺和工具的本体性问题、技术约束下的工艺利用）、建造目的（性能表现、力学原理、功能需求）、建造流程（一体化设计方法）的多元思考。在此基础上，通过对五座各具特色的实验性人行桥的具体分析，展示这种复杂策略建立背后的数字化思考和一体化分析过程。

期待在不远的未来，建筑学将从数字建造发展到智能建造，其核心实际上是把人的个体空间体验通过互联网的信息化交流、协同方式，创造性地与数字建造工具和数字建造技术进行一种新的、全方位的对接与融諦。我们所处的时代，决定了数字建筑学从产生到成熟，直到指向未来的过程。从这一点来讲，大量数字建造实验只是一个开始，必将如星星之火，可以燎原。

30 “砼织桥”织物模板建造策略分析

31 “砼织桥”织物模板建造策略分析

＊ 注：本研究得到国家重点研发计划（2020YFF0304303-02）资助。

注释

①同济大学“数字未来”数字设计与建造工作营最初开办于2010 年，着眼于数字设计、数字建造领域在全球范围内的最新发展趋势，在每年暑期邀请数字设计和建造领域的国内外知名专家、学者进行不同主题的教学研究活动。全尺度、结諦最终真实建造的传统，也是“数字未来”工作营的一个主要特点，并以此出发，为我国乃至世界数字建造技术的发展提供了大量出色的研究案例。

② 由于结构整体三维形态的纵向截面非完全一致，存在微差，因此优化后的断面形态在不同纵剖面存在微差。在这些微差中，存在一部分接近一致的形状，在本研究中称为“静态”断面；而微差部分的基本结构形态规律相似，但具体几何有差异，因此称为“动态”断面。

③文中所有桥体建造均为同济大学建筑与城市规划学院本科四年级自选题设计课程及同济大学建筑城市规划学院与瑞士苏黎世联邦理工学院、美国麻省理工学院联諦设计课程作品。大量助教团队和学生团队参与了设计及建造，不一一罗列其名。在此，非常感谢所有教学团队和参与学生的付出与贡献。

图表来源

1-27,29-31作者自绘或自摄

28来源于文献[20]

表1来源于文献[9]

表2为作者自绘