苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究

苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图 Porous Assemblies - Robotic 3D printing of mineral foam for novel lightweight architectures . Image © Dinorah Martinez Schulte

    苏黎世联邦理工学院数字制造和建筑学高级硕士项目(MAS ETH DFAB)是世界领先的建筑领域数字建造与机器人技术跨学科研究团队——国家数字制造研究中心主导的教育项目。由该领域的两个先驱研究小组——数字建造技术教席和建筑和数字建造教席(GramazioKohler研究所)组织。

    此一年全日制硕士项目探索从运算设计,材料和数字建造创新,机器人制造到3D打印技术等相关主题。我们的学生将受益于苏黎世联邦理工学院和NCCR研究人员的卓越能力和研究经验,与我们的工业界伙伴的合作以及充分利用机器人建造实验室的机会,这里是大多数开拓性研究的起点。

    本项目致力于促成新一代建筑师,工程师和设计师的合作,他们具备技能,科技和学科知识,了解如何定义建筑的未来。这些人未来将为世界面临的生态,社会和技术挑战提供答案,并将效率与美学结合。

    这里展示的十二个项目是2019-2020年此项目的硕士学位论文。学生们与来自两个小组的研究人员合作,探索有关机器人建造工艺和3D打印技术的特定问题。这些探索与正在进行的研究项目相结合,并得到了大批专家的支持。在三个月的时间里,这十二个小组制定了自己的研究计划,进行了实验,并最终通过实体成果,书面和口头形式介绍了他们的论文。所有主题均展示了将概念转化为软件和数字化建造流程的能力,并可以改变我们的建造方式。

    1)网格模具夯土结构

    • 苏黎世联邦理工学院,建筑和数字建造教席,GramazioKohler研究所,法比奥·格拉玛齐奥教授和马蒂亚斯·科勒教授
    • 学生:Jomana Baddad,Indra Santosa
    • 导师:Mattis Koh,Nik Eftekhar Olivo,MarvinRüppel,Coralie Ming,Ammar Mirjan,Thibault Demoulin(Prof. Flatt),Gnanli Landrou(Prof. Habert)
    • 与Oxara合作:www.oxara.ch
    • 赞助商:Abuma GmbH Moebelle

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图1 Mesh Mould Earth Construction. Image © Jomana Baddad + Indra Santosa

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图2 Mesh Mould Earth Construction. Image © Jomana Baddad + Indra Santosa

    网格模具技术是一项正在进行的针对固定模板的数字化混凝土研究,由苏黎世联邦理工学院的建筑和数字建造教席发起。网格模具为这项研究奠定了基础,它可以制造复杂几何形状的增强夯土结构,并使用开放网格结构帮助其固化。研究介于自然加固成型的传统应用和数字化制造方法之间,数字化输出的复杂几何模型被转换为低技术制造工作流程,以适应所用天然材料的社会经济现状。人机交互制造设备提供了自动化制造和人工参与的多种方案,此设备致力于通过低成本,易于使用的制造界面来制造双向弯曲的复杂增强几何形状。该研究专注于天然增强材料,并研究合适的弯曲和组装方法。团队同时开发了一个运算模型,该模型集成了材料的特性和成形方法。最终,运算设置将为人们提供一个直接的界面来制造用于夯土材料的强化骨架。土料的混合和填充过程由我们的研究合作伙伴Oxara进行。

    2)自适应粘土成型:机器人现场粘土建造

    • 苏黎世联邦理工学院,建筑和数字建造教席,GramazioKohler研究所,法比奥·格拉玛齐奥教授和马蒂亚斯·科勒教授
    • 学生:Anton Tetov Johansson,Edurne Morales Zúñiga
    • 导师:David Jenny, Coralie Ming, Nicolas Feihl, Gonzalo Casas
    • 行业合作伙伴:Lehmag AG,Brauchli Ziegelei AG

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图3 Adaptive Clay Formations - Robotic In-Situ Clay Construction . Image © Anton Tetov Johansson + Edurne Morales Zúñiga

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图4 Adaptive Clay Formations - Robotic In-Situ Clay Construction . Image © Anton Tetov Johansson + Edurne Morales Zúñiga

    快速粘土成型(RCF)是一项对利用软黏土材料,通过机器人进行聚合体建造方式的持续研究。在论文中,我们介绍了建筑尺度的快速粘土成型建造的研究,概述了适用于粘土材料建造高而细长的结构的建造方式的发展,并通过一系列原型研究和为期三周的建筑工作坊的准备来评估建造过程。

    在该项目中,我们评估并测试了材料的性能和优化,几何传感,机器人轨迹规划以及移动机器人定位。这些探索与针对大型整体式粘土结构的设计研究相结合,旨在实现现场快速部署。我们称此快速粘土成型的分支研究为“自适应粘土成型(Adaptive Clay Formations)”。

    3)探索机器人装配木结构中整体节点的新发展

    • 苏黎世联邦理工学院,建筑和数字建造教席,GramazioKohler研究所,法比奥·格拉玛齐奥教授和马蒂亚斯·科勒教授
    • 学生:Frédéric Brisson
    • 导师:Victor Leung, Davide Tanadini (Prof. Schwartz)

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图5 Pushing the boundaries of integral joints in robotically assembled timber structures. Image © Frédéric Brisson

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图6 Pushing the boundaries of integral joints in robotically assembled timber structures. Image © Frédéric Brisson

    木材在建筑施工方面具有丰富的历史,几个世纪以来木匠一直手工组装木结构。随着技术提高了生产效率,木结构建造业开始缓慢地拥抱全自动机器人组装工艺在工厂预制建造方面的潜力。

    Gramazio Kohler研究所正在开发一种机械臂工艺,该机械臂使用夹具将线性木材安装在垂直杆件组成的整体搭接结构中。尽管研究人员已经能够在90度的结构中做到这一点,但本论文力图证明一种角度夹紧系统的潜力。该系统可以将一定角度范围的线性木材接合在同一平面上,从而为机器人组装更复杂的几何形状提供了机会。通过GramazioKohler研究所的Victor Leung和数字建造技术教席的Davide Tanadini合作,本文提出了指导木结构组装,设计和结构稳定性的参数规则。它提出了一组迭代设计的可能方式,并已通过一比一的木结构进行测试以验证假设,并发现有待进一步研究的内容。

    4)基于材料性能的模板几何形态研究

    • 苏黎世联邦理工学院,建筑和数字建造教席,GramazioKohler研究所,法比奥·格拉玛齐奥教授和马蒂亚斯·科勒教授
    • 学生:Yu-Hung Chiu,Chanon Techathuvanun
    • 导师:Joris Burger, EnaLloret-Fritschi, Tim Wangler (Prof. Flatt)

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图7 Material-informed formwork geometry. Image © Yu-Hung Chiu + Chanon Techathuvanun

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图8 Material-informed formwork geometry. Image © Yu-Hung Chiu + Chanon Techathuvanun

    混凝土模板的熔融沉积成型工艺(FDM)具有实现建筑部件几何结构优化的潜力,从而减少混凝土的消耗量并提高建造工艺的可持续性。先前的一些研究表明了使用这种新技术进行建造的可行性,但与传统的混凝土施工工艺相比,行业面临着新的挑战:由于流体静压,在浇筑过程中模板经常发生断裂。目前已经存在许多关于传统混凝土模板(钢和木材)性能的研究,但人们对不规则形状的3D打印模板性能知之甚少。这篇论文将研究不同模板的几何形状和样式,以扩展人们关于承受流体静压时模板断裂方面的了解,同时通过应用参数化几何形状和图案来改善模板的稳定性并探索其美学特性。得出的经验数据将用于薄壳建造项目,以确定不损坏模版的混凝土填充率。

    5)探索材料自成型:通过基于反馈的机器人灰泥喷涂进行表面塑形

    • 苏黎世联邦理工学院,建筑和数字建造教席,GramazioKohler研究所,法比奥·格拉玛齐奥教授和马蒂亚斯·科勒教授
    • 学生:Tsai Ping-Hsun,Eliott Sounigo
    • 导师:Selen Ercan,Dr. EnaLloret-Fritschi

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图9 Exploring Material Self-Formation: Crafting Surfaces through Feedback Based Robotic Plaster Spraying. Image © Tsai Ping-Hsun + Eliott Sounigo

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图10 Exploring Material Self-Formation: Crafting Surfaces through Feedback Based Robotic Plaster Spraying. Image © Tsai Ping-Hsun + Eliott Sounigo

    这项研究提出了一种使用由6DoF机械臂控制的喷枪进行基于反馈的灰泥喷涂的新方法。通过这种方法,无需使用任何模板或支撑,就可以将多层灰泥材料以不同的速度和距离喷涂到表面上,从而形成立体结构。为了控制这种可延展材料的浇筑速度,深度相机被集成到建造流程中,并向控制系统提供反馈,该系统在每次喷涂迭代后都会调整末端执行器到目标表面的距离。这项研究的目的是探索如何将这种新型机器人塑形装饰工艺用于设计和制造定制饰面。

    6)照明链接:钢凝胶铸件的设计研究

    • 苏黎世联邦理工学院,数字建造技术教席,本亚明·迪伦贝格尔教授(Prof.Benjamin Dillenburger)
    • 学生:László Mangliár
    • 导师:Marirena Kladeftira

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图11 Illuminating Links: A design research for steel-gel casting. Image © László Mangliár

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图12 Illuminating Links: A design research for steel-gel casting. Image © László Mangliár

    运算为建筑构件的设计提供了新的可能性,但是现有的钢增材制造方法存在很大的局限性。研究的目的是通过检验熔融沉积成型模板中钢凝胶铸件的新制造方法来克服这些缺陷。 论文开发了一种用于研究过程的设计语言,并展示了其在原型钢构件的设计研究中的潜力。这些构件中置入了结构连接,集成照明和装饰的功能。研究发掘并建立了整个制造链,定义了成品形状,然后进行数字化模具制造,模板3D打印和钢凝胶铸造。最终成果是一种原型钢构件,它是功能构件和雕塑装饰物的组合,受到了制造方法的启发。

    7)分支结构的非平面接缝

    • 苏黎世联邦理工学院,数字建造技术教席,本亚明·迪伦贝格尔教授
    • 学生:Mahiro Goto
    • 导师:Ioanna Mitropoulo

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图13 Non-Planar Seams for Branching Structures. Image © Mahiro Goto

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图14 Non-Planar Seams for Branching Structures. Image © Mahiro Goto

    非平面分层打印使我们能够控制每一层的结构,以便打印出传统平层打印无法实现的形状,例如分支结构或没有任何支撑的悬垂形状。使用非平面打印方式的一个主要障碍是其设计的复杂性,这需要新技术和方法来改进。在许多情况下,例如打印大型结构,我们需要将对象分割成较小的片段,以使其适合打印范围。在这项研究中,我们提出了使用非平面边界的分割策略,该策略可以通过计算沿对象表面的距离,在此对象中创建多种层结构。通过研究使用熔融沉积成型机器人打印的许多原型,我们探索了层的功能和美学特性,以及如何通过控制打印路径的方向为分割操作提供优势。

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    8)多孔组件-致力于新型轻质建筑(ENG)的机器人矿物泡沫3D打印

    • 苏黎世联邦理工学院,数字建造技术教席,本亚明·迪伦贝格尔教授
    • 学生:Dinorah Martinez Schulte
    • 导师:Patrick Bedarf
    • 合作伙伴:Ayça Senol(ETH Zurich),Dr. Michele Zanini(FenX AG),Dr. Etienne Jeoffroy(FenX AG)

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图15 Porous Assemblies - Robotic 3D printing of mineral foam for novel lightweight architectures . Image © Dinorah Martinez Schulte

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图16 Porous Assemblies - Robotic 3D printing of mineral foam for novel lightweight architectures . Image © Dinorah Martinez Schulte

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图17 Porous Assemblies - Robotic 3D printing of mineral foam for novel lightweight architectures . Image © Dinorah Martinez Schulte

    得益于高科技数字制造和材料研究,用于低成本建筑的离散建筑构件可以被设计和生产。该硕士论文项目通过轻型建筑构件的设计和制造为实现这一目标做出了贡献。研究历时12周,并且是一项更大的研究工作的一部分,此研究致力于利用矿物泡沫——来自大量的不可燃且可完全回收的工业废物,进行建造3D打印(Construction3D Printing)。从打印材料的早期研发开始,通过广泛的原型设计,论文系统地探索了3D打印矿物泡沫的各种设计。

    本论文研究的制造方法是机器人3D挤压打印,打印的构件在熔炉中烧结以达到最佳机械强度。研究的最终成果为一面幕墙,幕墙由矿物泡沫轻型建筑构件制造,并浇铸在超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)上。得益于其几何形状,幕墙可以实现自然采光和通风,体现了使用这种材料制造轻巧,创新性,可持续和低影响的建筑构件对环境的好处。该研究的主要目标是探索用矿物泡沫进行3D打印设计的可能性,提高人们对未来建筑环境的认识,并为未来的研究途径提供结论性意见。

    9)花纹混凝土:纤维材料建筑

    • 苏黎世联邦理工学院,数字建造技术教席,本亚明·迪伦贝格尔教授
    • 学生:Maria Pia Assaf,Ioulios Georgiou
    • 导师:Andrei Jipa, Angela Yoo, Georgia Chousou
    • 合作伙伴:Bekaert AG

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图18 Filigree Concrete: The Architecture of Fibres. Image © Maria Pia Assaf + Ioulios Georgiou

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图19 Filigree Concrete: The Architecture of Fibres. Image © Maria Pia Assaf + Ioulios Georgiou

    超高性能纤维增强混凝土是包含可提高其结构性能的纤维材料的混凝土材料。就结构强度而言,纤维材料的优点是可以提高拉应力方向的强度,并能拉接整个结构中的裂纹。先前的研究表明,混凝土浇筑流程会影响纤维材料排列方向和其在简单建筑形式中的分布。而本研究侧重于复杂的模板几何形状对浇筑过程中纤维材料排列方向和分布的影响。

    通过进一步了解这些形式中纤维材料的性能,以及在施工过程中采用更佳的方法,作者对花纹混凝土建筑构件的局限性进行了探索和改进。本文通过管状分支几何形状的3D打印模板实验,结合不同的浇筑策略及其对纤维材料排列的影响,探索了该技术的设计可能性。 论文观察并分析了实体成果的断面,混凝土建筑构件的断面直径可以低至11毫米,细长混凝土建筑构件的设计和制造得到优化,从而引导人们探索新的设计语言。这项研究受哥特式玫瑰窗的启发,以花纹窗饰的设计和制造作为成果。

    10)碳纤维外骨骼-用于自由曲面薄混凝土构件模板的碳纤维增强3D打印

    • 苏黎世联邦理工学院,数字建造技术教席,本亚明·迪伦贝格尔教授
    • 学生:Fatemeh Salehi Amiri
    • 导师:Hyunchul Kwon

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图20 Carbon Fiber Exoskeleton - 3D printing of carbon fiber-reinforcement with formworks for freeform thin concrete components. Image © Fatemeh Salehi Amiri

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图21 Carbon Fiber Exoskeleton - 3D printing of carbon fiber-reinforcement with formworks for freeform thin concrete components. Image © Fatemeh Salehi Amiri

    论文探讨了基于碳纤维增强3D打印的自由曲面模板,以实现薄混凝土构件的制造。自由曲面构件在当代建筑中起着重要的作用。3D打印技术的最新进展使那些能够创建复杂几何形态的混凝土模板可以投入使用。然而特别是对于薄结构,自由曲面的拉应力强化策略仍然有待探索。

    在传统方法中,尽管对拉应力主要作用的混凝土表面进行了增强处理,提高了其结构性能,但钢筋的腐蚀限制了其应用潜力。而碳纤维不会被腐蚀,并且具有高的比强度和可成形性。在这种情况下,研究探索了一种新的附加碳纤维3D打印模板制造流程,它有着空前的外骨骼增强能力。此外,研究还开发了一种基于结构优化策略的运算方法,该方法能够减少材料消耗,保证材料仅在需要的地方被使用。这项研究包括了一系列原型功能演示成果的设计和制造实验,证明了一种前所未有的混凝土强化方法,有望在自动化制造过程中有效利用材料的同时塑造复杂的混凝土形状。

    11)体积建模的分辨率自适应

    • 苏黎世联邦理工学院,数字建造技术教席,本亚明·迪伦贝格尔教授
    • 学生: Rémy Clémente
    • 导师:Prof. Benjamin Dillenburger,Mathias Bernhard

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图22 Adaptive Resolution for Volumetric Modelling. Image © Rémy Clémente

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图23 Adaptive Resolution for Volumetric Modelling. Image © Rémy Clémente

    这项研究探索了制造中掌握多个级别的分辨率的方法。由于不同的建筑项目存在各种尺度和建造方法,分辨率自适应是否是解决其复杂性的一种手段?通过使用体积建模(VM),一种运算工作流(在Rhino/ Grasshopper上使用Python)被提出以掌握和控制3D模型的分辨率。无论是在构造实体几何树(CSG)中还是在符号距离函数(SDF)对象的离散化期间发生,目标都是在使用动态仪器时定义操作的局部细节等级。下面两个案例分析将介绍其在数字建造领域的应用:使用不同粗细丝材的熔融沉积建模(FDM)3D打印机将深入研究如何解决分辨率自适应的匹配难题;一个多尺寸的砖示例将展示一种通过合并单元自动生成连接的方法。这篇文章探究的是当前数字建造技术教席对体积建模方法研究的一部分。

    12)纤维材料PerSkin附加3D打印

    • 苏黎世联邦理工学院,数字建造技术教席,本亚明·迪伦贝格尔教授
    • 学生:Emmanuelle Sallin
    • 导师:Matthias Leschok

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图24 PerSkin Add-On 3D-Printing on Fabric. Image © Emmanuelle Sallin

    苏黎世联邦理工学院最新论文成果,数字制造及建筑学高级硕士项目研究插图25 PerSkin Add-On 3D-Printing on Fabric. Image © Emmanuelle Sallin

    纤维材料是一种因其抗拉能力而在建筑领域广泛运用的柔性材料。从18世纪到今天,它已与钢缆或其他刚性材料一起用于工业化建筑领域。纤维材料通常用于制造帐篷,体育场或亭子。增材制造已经展示了其在建筑领域的潜力。聚合物挤压作为一个典型方式已投入使用,不仅用于制造混凝土模板,而且还用于立面构件。但是在建筑领域,此增材制造方式正面临着浇筑速度的问题。研究首次尝试将聚合物挤压与基材(附加3D打印)结合使用,以加快浇筑速度,这对于建筑尺度的应用尤其必要。然而,诸如织物之类的基材的使用尚未得到充分探索。这项研究旨在将刚性材料(3D打印材料)与柔性材料(纤维材料)结合起来,以创建建筑尺度的空间构件。它提供了有关新型复合材料性能的实验数据,以及制造立体建筑构件的不同设计方法。

    有关项目和申请流程的更多信息,请访问:www.masdfab.com
    译者:纪宏飞

    内容推荐:数字化建筑资料库,经典三维模型

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