UCL团队结合增强现实与PVC管,打造复杂混凝土结构

UCL团队结合增强现实与PVC管,打造复杂混凝土结构插图 Slab House Proposal / Skeleton. Image Cortesía de reBENT

    由巴特莱特建筑学院(UCL)2019.03-20课程的Research Group 9设计的reBENT,探讨了在使用PVC管时增强现实(AR)与手工施工过程之间的互动关系,耐用且便宜的PVC管作为基础研究材料。除了利用其主动变形的特性与AR相互作用之外,在将一系列弯曲的PVC管和钢筋编织在一起制成复杂的混凝土结构时,这种材料提供了一种快速而经济的系统,然后将其用作玻璃纤维增​​强混凝土(GFRC)的模板。

    到目前为止,团队已经用这种既不是纯模拟也不是纯自动化的混合方法进行了模型,建筑元素和可居住建筑物的设计。此外,该团队还为Microsoft Hololens开发了增强现实平台,通过全息图指导建造和个性化定制的过程。

    UCL团队结合增强现实与PVC管,打造复杂混凝土结构插图1 System Design. Image Cortesía de reBENT

    UCL团队结合增强现实与PVC管,打造复杂混凝土结构插图2 PVC Rebar System Single. Image Cortesía de reBENT

    reBENT寻求设计自承结构并探索混凝土中的复杂造型,避免使用诸如3D打印机器人之类的自动化系统。团队成员说:“我们的目标是在计算机设计的探索中使用管状几何形状,还有廉价且通用的材料作为模板,例如PVC管和钢筋,然后通过多边形生成的受控曲线控制材料的主动弯曲特性”。

    这些探索是如何进行的?团队向我们解释了这一点。“为了扩展几何构成,我们在受控的计算机组装形状中生成复杂的弯曲形状。我们使用20mm PVC管的结构约束通过曲线测试来分析不同的弯曲形状。我们生成了一个主动弯曲的简单示例来测试管子和他们的装配组合,由于我们可以复制电子模型,所以我们得到的结果甚是鼓舞人心,在这第一种方法中,我们通过将设计的组件用Rhino-Grasshopper连接到“ Fologram”来实现增强现实,并且在移动设备上实现了全息显示引导管子弯曲。”

    UCL团队结合增强现实与PVC管,打造复杂混凝土结构插图3 Cortesía de reBENT

    “然后,我们对设计语言进行了分类,并重新测试了不同类型的主动折叠样本。我们希望找到一个可以使用原始几何图形连接到以前的研究的指南。我们实施了多边形探索,以寻找可以用作计算弯曲框架的几何形状。此外,我们使用Karamba,Kiwi和Kangaroo(Grasshopper插件)来对生成的具有特定材料约束的几何形状进行结构测试,从而在某些设计条件下评估管子的性能。”

    UCL团队结合增强现实与PVC管,打造复杂混凝土结构插图4 Polygon Computational Guidance. Image Cortesía de reBENT

    尽管这些结果都非常好,但研究人员发现一些结构性问题,例如脆性和强度不足。“由于这个原因,我们结合了4 mm的杆以提出一种可提供额外强度的构造系统。为了将钢筋连接到PVC管,我们设计了一系列3D打印的柔性TPU接头。它们的形状取决于钢筋的数量加入。”

    UCL团队结合增强现实与PVC管,打造复杂混凝土结构插图5 3D Printed Joints. Image Cortesía de reBENT

    包装系统包括三种类型:

    • 1条20 mm的PVC管-4条钢筋(用于小型组合)
    • 4条20 mm的PVC管-8条钢筋(用于中等组合)
    • 10根以上20mm的PVC管-12条钢筋(用于大规模组合)

    该团队继续使用生成算法来创建复杂曲线,并结合其结构分析以生成可制造的几何图形,同时引入了包装系统。“我们进行了混凝土喷涂的计算模拟和物理探索,以了解浇铸之后可能形成的几何形状。为了有效地浇铸管材,我们使用喷枪来覆盖它们的筛网。为了最大程度地减少铸造过程,我们将胶水喷到管子和GFRC上,并能恰好附着上。为了确定混凝土的用量,进行了一系列测试,确定了混凝土的用量:对于小型混凝土结构,混凝土的用量应低至3层,对于自承可居住型结构的混凝土用量应用10-12层。我们在小型结构物体上进行了测试,例如柱子和建筑组件,从而实现各种可能的形状。作为这种方法的产生意义的一个例子,我们将以下例子建立在没有全息显示器帮助下很难实现的复杂形状上。”

    UCL团队结合增强现实与PVC管,打造复杂混凝土结构插图6 Column Study. Image Cortesía de reBENT

    系统实施

    该团队使用了较早的一系列弯曲设计来实施该系统,从而增加了创建可居住结构的可行性。该系统适用于建议的几何形状,可作为自承结构。为了包装这些可居住的空间,“我们设计了一种方法来生成整个子结构的表面,使用多边形方向在主结构中生成曲线。此外,子结构还起到了将不同的胶囊连接到单个元素的支撑作用,从而在人类尺度上实现了一个可居住的空间。”

    UCL团队结合增强现实与PVC管,打造复杂混凝土结构插图7 Slab House Proposal / PVC Rebar System Structure. Image Cortesía de reBENT

    UCL团队结合增强现实与PVC管,打造复杂混凝土结构插图8 Slab House Proposal / Skeleton. Image Cortesía de reBENT

    增强现实平台:Hololens App

    Microsoft Hololens应用程序收集所有显示的数据,以帮助用户轻松高效地构建复杂形状。reBENT AR平台采用以下方案:

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    易于使用:从主屏幕开始在新项目或已保存项目之间进行选择,该应用程序的所有功能都压缩到一个菜单中,用户可以在其中找到:

    • 预览要构建的项目。
    • 必要元素的数量和规格。具有制造步骤和组装零件的单独施工部分。
    • 制造切换菜单,用户可以在其中查看模型和构造步骤的详细信息。
    • 检查构建过程,以防错过任何步骤。

    • 平台式教程:步骤包括一个全息显示器和一个交互式菜单,哦你过来识别材料,组件,组件的类型以及接头的位置。
    • 使用机器学习来扫描全息图并使全息图适应真实模型:手工制造过程可能会导致连接或组件制作不准确。此特性使程序可以分析和检测这些缺陷,并在必要时提出结构的解决方案。

    UCL团队结合增强现实与PVC管,打造复杂混凝土结构插图9 reBENT / Platform Concept. Image Cortesía de reBENT

    UCL团队结合增强现实与PVC管,打造复杂混凝土结构插图10 reBENT / Use of Platform. Image Cortesía de reBENT

    接下来,多边形指引被用于定制制造,用户可以在其中构建地基,支柱和空间。“这些指引用对户显示为网格,他们可以在其中继续创建不同的构图。此外,我们为不同的构图实施生成性解决方案,允许用户与单一模型的不同可能性进行互动,从而增强了生成其他系统的系统,为了使提出的设计大众化,避免了结构上的奇异之处。”

    建筑方案

    该小组提出了三种不同的构成。“首先,展馆使用我们设计语言的不同组成部分。由于不能同时浇注大型结构,因此这些组成部分也被用作混凝土块。这些空间的建造过程不再是常规的,因为它们中的大多数都需要结构可以根据构成进行构建和成型,并借助AR可以快速完成连接和二级结构, 初始建筑将其分为几大块,然后分别进行构建和成型,以实现快速简便的施工。按照相同的原理,这些零件将在地面上制成,然后AR还将按顺序,方向和角度引导装配,并重塑它们以提高结构的稳定性。

    UCL团队结合增强现实与PVC管,打造复杂混凝土结构插图11 Architectural Components. Image Cortesía de reBENT

    展馆的设计包括一个稳定的中央结构,两侧均带有翅膀,然后通过“桁架”结构进行加固,形成一个完整的骨架,在数字模型中该骨架以五层的层次结构和两个主要接头来支撑屋顶。“最后,我们设计了具有相同系统的可居住住宅结构,从而发展了一种可以用有限的经济资源建造的稳定结构。该设计基于将结构系统相互连接的平板,创建适应于任何设计的居住和使用空间。”

    UCL团队结合增强现实与PVC管,打造复杂混凝土结构插图12 Pavilion Design. Image Cortesía de reBENT

    UCL团队结合增强现实与PVC管,打造复杂混凝土结构插图13 Pavilion Proposal. Image Cortesía de reBENT

    UCL团队结合增强现实与PVC管,打造复杂混凝土结构插图14 House Proposal. Image Cortesía de reBENT

    UCL团队结合增强现实与PVC管,打造复杂混凝土结构插图15 House Proposal. Image Cortesía de reBENT

    UCL团队结合增强现实与PVC管,打造复杂混凝土结构插图16 House Proposal. Image Cortesía de reBENT

    成果

    展馆和组件在真实环境中进行了测试,来自厄瓜多尔的人们从未使用过AR或其他混合现实设备。两种元素的全息制作都取得了成功,并且仅用了2天的时间就完成了制作,每个元素工作了5个小时。“ PVC管-杆系统首先需要使用一组管来创建导向,然后对其余元素进行“跟随形状”。最后,混凝土的喷涂是一个更加复杂的过程;在第二层之后,混凝土完全粘附到结构上,使其余各层可以更有效地粘附。”

    学生团队:PabloIsaac Jaramillo Pazmino**(厄瓜多尔), Xi He(中国),Ziqi Song(中国)
    导师:Igor Pantic,ÁlvaroLópez

    翻译:杨佳欣

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