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游牧裝置1.0——以“張拉整體”為結構原型的蒙古包設計

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作者:iStructure
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作者:張嘯 & 永昌

iStructure與FabUnion合作,來自同濟大學建筑學院的張嘯和永昌給大家分享精彩有趣的100%純原創張拉蒙古包設計。

(游牧裝置1.0-立面圖 圖片來源:作者自繪)


0 緣起

能參加“2019內蒙古蒙古包設計大賽”是巧合

參賽選手永昌是蒙古族的同學,熟知蒙古包與游牧生活的一切,目前就讀于同濟大學建筑與城市規劃學院,他很希望將自己的所學報答給家鄉的草原。

他與他的隊友張嘯,是在本科階段“寒地四校聯合畢業設計”上認識的,他們在同濟也是籃球隊隊友,于是一拍即合,決定參加此競賽。張嘯在研究生期間學習了一點關于殼體的內容,知道一點參數化的東西。

希望這次“參數化+手工藝

的碰撞能形成有趣的成果。


 

1.1傳統蒙古包

十三世紀以來,蒙古族信仰自然,崇尚萬物生長之規律。在草原上,牧民根據季節變遷,為了平衡草原生態環境,并長久的生存于此,從而衍生出已游牧為核心的生活方式。以維系“草”與“牲畜”的自然平衡。因此,蒙古族人往往需要按時令,在廣袤的草原上四處游牧,因此衍生出了“蒙古包”這一經典的臨時性構筑物。

(歷史上的游牧生活  圖片來源:網絡)

(游牧生活示意圖  圖片來源:作者自繪)

蒙古包經過歷史的積淀,也再不僅是牧民的居所,更是歷代蒙古族游牧習俗的載體。如今,它成了游牧文化的重要象征,是游牧生活的“物化”。

回歸物質本身,蒙古包則是一種“可拆解、易安裝”的穹廬。這兩點也成了之后設計的核心。

(傳統蒙古包搭建過程  圖片來源:建日新聞、內蒙古蒙古包設計大賽主辦方)

其“可拆解”體現為:節點均為活結點,在拆解的時候并不會對構件形成破壞。

其“易安裝”體現為:僅靠幾個人力就能徒手安裝,構件種類少,施工時長很短。

(傳統蒙古包構件  圖片來源:建日新聞、內蒙古蒙古包設計大賽主辦方)

 

1.2 蒙古包現狀

目前,大多數牧民有了自己的宅基地,對長途遷徙的要求降低,都蓋起了磚房作為定居點;同時,現代化的機械設備(例如大篷車)也取代了部分蒙古包,而蒙古包作為一種“手工藝”的本質正在被遺忘。

亦或者蒙古包就被作為旅游業的體驗項目,使更多砌筑的“蒙古包”坐落在草原上。作者并不認為這些是“要反對的”。它們作為工業化的產物,慢慢替代手工藝,也是那個階段歷史潮流使然。我們要設計的是徒手建造的“蒙古包”,而不是牧民的永久住宅。

(上圖:牧民定居導致傳統蒙古包需求減少;下圖:旅游業帶來的混凝土“蒙古包”度假區 圖片來源:照片來自網絡,圖解作者自繪)

作者并不想辯論這些蒙古包的“真假”(存在即合理),只是想從自己的角度,探討蒙古包借助“數字技術”對“手工藝”傳統的復興。下文將詳細解釋這一過程:

(通過kangaroo找形獲得的蒙古包電子模型與實體模型 圖片來源:作者自繪)


2.1 參考案例

在一次偶然的機會,作者讀到題為“Parametric Analysis of Tensegrity-Membrane-Structures”的論文,發表在IASS-2017上。文章解釋了2012年10月在東京理科大學(Tokyo University of Science)完成的“張拉整體膜結構”構筑物-Moon Pavillion。其“可拆解、易安裝”的特點與傳統蒙古包很相似。

(“Parametric Analysis of Tensegrity-Membrane-Structures“ 論文插圖, 圖片來源:IASS-2017)

但是文章僅分析了其受力原理(桿件承受壓力,膜承受拉力),并沒有公布其“找形過程”。作者想,如果能用Kangaroo模擬這個殼體的找形過程,再反之應用到蒙古包設計上就好了。

 

2.2 原理研究

作者首先根據關鍵詞“張拉整體”,找到了很多結構大師與雕塑家基于這個受力原理的建筑設計創新與雕塑設計。


(先賢們對“張拉整體”結構的探索與創作, 圖片來源:Matheus Pereira, Archdaily)

其次,在Kangaroo插件的官方案例中,作者找到了名為“Tensegrity”的案例,打開運行之,看到了神奇的效果:

(張拉整體原型的平衡找形過程, 圖片來源:作者自繪)

其核心原理為:將桿件與弦都設為彈簧,桿件的松弛長度(Rest Length)為其原長本身,即沒有彈性;而弦的松弛長度(Rest Length)長度設為原長的0.5倍,即預先對其施加拉力。當整個裝置各端點受重力時,裝置隨模擬器運算,逐漸達到受力平衡。

(張拉整體原型的原理, 圖片來源:作者自繪)

作者根據上述論文中的張拉整體膜結構描述,發現“膜”并不是處處受拉,而是只在與相鄰桿件端點連線上存在明顯拉力。

(張拉整體膜的進一步受力細化分析, 圖片來源:Parametric Analysis of Tensegrity-Membrane-Structures-IASS 2017)

因此作者提取出其核心受拉受壓構件,重新對案例文件的“桿”與“弦”進行布線,進行模擬,于是得到以下效果:

(張拉整體膜的平衡找形過程, 圖片來源:作者自繪)

但是這次形成的是單向的拱,而且拱頂有明顯內縮,并不可控,也無法形成蒙古包需要的“穹窿”,如何將此原理應用于蒙古包設計是作者下一步的重點。

 

3.1 蒙古包設計-數字找形

作者發現,之所以形成單向拱的原因為:網格布線均為單向布線,因此最終找形肯定是線性空間。要形成穹窿,受力平面網格必須是“環形布線”。在此紅線代表“壓桿”,藍線代表“拉弦”。

(作者對基礎網格布線的優化, 圖片來源:作者自繪)

為實現進一步提高“找形”過程中對織物形態模擬的準確性,作者進一步細分網格;同時為了不破壞受壓桿件的幾何連續性,作者將網面與壓桿接觸的端點,都移到桿件的頂點:

(作者對基礎網格布線的優化, 圖片來源:作者自繪)

網格設定完畢后,作者進行了kangaroo的找形模擬。但是此次模擬作者給整個受力裝置增加了一個豎直向上的“初始力”,否則整個裝置向上或者向下生長是隨機的,具體過程如下:

(作者對基礎網格的生形模擬, 圖片來源:作者自繪)

 

3.2 蒙古包設計-物理模型

為了給“蒙古包”的布面設置預應力(拉力),作者從淘寶上購入了高彈性“牛奶布”,將其張拉1倍面積后,在其下部襯入基準模板,根據其定位粘貼受壓的木棍,承受壓力。如此,整個裝置就根據其內力,自動“找”到可以使其平衡的形態,具體過程如下:


(模型材料與制作過程, 圖片來源:淘寶/作者自攝)

(模型制作過程與平衡過程, 圖片來源:作者自攝)

(左:數字找形模擬結果,右:物理模擬找形結果, 圖片來源:作者自攝)

(競賽提交的最終模型, 圖片來源:作者自攝)

 

4.1 結論與展望

作者認為,通過張拉整體結構來做新型蒙古包是很有前景的,因為它符合蒙古包自手工藝時代就有的“可拆解、易安裝”兩大特點。同時其構件也易于收納,膜布可折疊成一塊;桿件可收納為一捆,非常便于攜帶。

而且通過力學模擬來設計“游牧裝置1.0”,也體現了蒙古包“形”對“力”直接表達的原真性。這種數字化設計方法本身(從材料與受力出發),也可以是拓寬建筑設計的思路,就像工業革命后,現代主義當時提出的“形隨機能“;在數字時代,有沒有可能”形隨性能“。或者”形隨質能“?

作者之所以命名此設計為“游牧裝置1.0“,其實是希望它還有“2.0”:

(作者對“游牧裝置1.0”的有限元分析,圖片來源:作者自攝)

通過對整個裝置的有限元分析,我們可以知道其材料內部的應力分布,作者考慮是否有可能對其進行分區域,分材料加工,運用數字針織技術完成對蒙古包維護材料(同時也是受力構件)的數字化生產……

 

4.2 后記

能參加本次競賽,是很開心的,因為在設計的過程中,我們更深入地了解了蒙古族文化,同時也將學到的軟件技術運用在設計上,這真的是很幸運的。希望設計本身能為蒙古包的未來提供一種可能性,能為傳統手工藝在數字時代的振興提供一種思路。

作者是一名建筑系學生,經常接觸到建筑設計,也不免進行“建筑設計創新作者也經常疑惑,“設計”本身不就是“創新”嗎?但是在經歷研究生學習之后,作者認為到:建筑設計創新的原動力是分析方法建造技術的革新;它可能和物理環境數據監測、結構設計......很多外因有關;我們要看見歸納模擬應用,但是首先要“看見”。

數字化給我們帶來的是看見了之前無法看見的數據,從而優化了現有的布局,數字建造技術帶來是突破了傳統建造方式的限制,從而獲得了不同以往的形態

有時候這些形態看起來很復雜,從設計角度來說沒什么必要,但其實為先進建造技術的證明,會給設計本身帶來啟發。

最后,很感謝主辦方、承辦方的支持;感謝內蒙好友們在呼和浩特(Hohhot)的熱情款待,友誼地久天長!

(作者張嘯、永昌, 圖片來源:額森呢 攝)

 


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3條評論
Raku
Raku 2019-12-18 19:21:22 回復 0

過于硬核……

冇
2019-12-18 16:56:12 回復 0

硬核文章

木反甲鳥
木反甲鳥 2019-12-18 13:10:12 回復 0

有幸看了他們在內工大的參賽匯報

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作者:iStructure
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