建构、细分

本课程作业起始于2011年秋季由Martin Bechthold教授的陶瓷实验课程（Ceramlc Lab）。陶瓷是近两年哈佛大学设计学院设计机器组（Design Robotic Group）的重点研究材料。除此课程之外，还有数个其他课程外的关于陶瓷的项目在同时进行。此项目在课程结束后也将作为重点研究项目之一持续进行，当然这是后话。

陶瓷作为一种传统材料在建筑建造中一直都占有着一席之地，尤其被很多拉丁裔建筑师广泛应用。像众所周知的高迪，在美国和西班牙都有很多建成作品的RafaeI Guastavino，以及同时擅长用砖和陶瓷砖的乌拉圭建筑师Eladio Dieste（图1）。陶瓷砖在建造薄壳结构时拥有轻质、美观的特性，是传统砖无法比拟的，作为同时能够满足结构和装饰的材料，陶瓷是独一无二的。

我们的队伍是由我和另外两个来自阿根廷的建筑师组成的。阿根廷裔建筑师对于建构无比痴迷，尤其是对高新科技并无依赖的壳结构建造，一方面是因为阿根廷本土的工业不够发达，另一方面是文化的传承。这也定下了这个项目的初始基调：用陶瓷做壳结构。

但如果仅仅是重新建造一个陶瓷壳结构是远远不够的，或者说是无法激起我们的兴趣的。所以我们重新审视了传统壳结构的弊端以及在先进社会不再流行的原因：经验丰富的建筑工匠的缺失以及人力的昂贵。以此为出发点，我们提出了数字分析结构、细分以及机器建造的概念，这就让整个项目非常完整而又新颖地组织起来了（图2）。

整个研究分为两个主要方向：建构和数字控制。而建构又被分为由上而下和由下而上两种研究方式。前一种是从壳结构整体出发对形体细分与装配策略进行探索，后一种是从烧制的陶瓷单体出发，研究其搭建逻辑和几何形体限制。而数字控制方面又包括找形、细分优化、板块细分、机器建造模子以及机器装配（图3）。

作为课程设计，陶瓷单体最初的做法是浇铸。首先将制造好的木头单体模型用石膏进行一次翻模，然后灌入陶土，待浇筑完毕，再经过二次烧制和一次烧釉得成。在结课后的持续研究中，我们已经把整个制作方法改为机器压制，这样一方面提高了工作效率，另一方面也增加了单体的几何精确度（图4）。

单体的设计由等边三角形发展，采取两种不同的剖面形状，两者边缘互相重叠，一高一低。这样做的目的是为了使壳体的结构加强部分（水泥和钢筋）只存在于两单体交叠后产生的中间凹槽中（图5）。而壳结构内部则是连续的陶瓷细分曲面。由此得出的建造逻辑（图6）由低到高为：1）机器切割的建造支撑模子；2）精确机器定位的单体；3）位于单体中间的钢筋；4）第一层混凝土；5）第二层钢筋与混凝土（最后的第二层混凝土已经在后期的研究中经过结构优化而取消）。当然壳结构的建造中一个非常关键的步骤就是现场装配，现实中常常因为运输、空间、设备的限制而无法进行。所以在此项目中我们对整体的壳结构进行了再一次大尺度的细分，细分的目的是为了让每个单块都在可操作的范围内，通过在现场安装好单个体块之后再在块与块的缝隙中浇筑混凝土来完成装配（图7）。

除了对于材料和建造的研究外，数字计算贯穿了整个设计。计算机的利用无疑提高了我们的工作效率，也让我们有更多的方式来体验和预实现我们的早期设计与后期更改。同时通过计算来控制建造设计流程，也让整个项目与早期其他陶瓷建造项目区分开来，做到更精确、更多元和更迅速。作为全部数字流程中的第一步，找形为后来的所有研究定下了基调，像之前提到的，我们所有的陶瓷单体都是通过一个模子浇筑而成的等边三角形。为了降低成本，增加精确度，在找形的过程中每个单体三角形的边长形变就成了最重要的影响因素。不同于传统的最小曲面模拟（纯压力曲面），我们从平面布置好的等边三角形出发进行模拟，得出最优曲面后再对所有边长的长度差进行最小优化（图8），经过一系列的优化后使每个单体的形变都在最终制作单体的接受范围之内。

在传统的壳结构建造过程中，支撑模子一直都是一大难题，从脚手架到EladioDieste的可重复使用的木质支撑再到LeCobusier在PhilipsPavilion建造时用到的沙模支撑，每种都各有优缺点。作为整个研究的重要组成部分，我们也提出并实验了几种不同支撑模子，有别于前人研究的地方在于，不论是高密度泡沫、砂子还是钢柱矩阵（图9），都是通过机器臂来操作完成的。基于电脑模型生成的编码传入到机器臂，并换取不同的机器“头”来达成不同的任务，像切砂子、泡沫用到的CNC钻头和推动钢柱矩阵用到的自制机器铝针。机器的精准让我们能把模子的误差控制在毫米范围内，也避免了支撑模子的粗糙带来的各种建造装配难题。最终的建造模子方案经过对成本与效率各方面权衡而采用了可回收并反复利用的高密度泡沫。

机器协助建造的最后一步是装配，由于每个陶瓷单体定位的误差会对后面的建造产生巨大的影响，这一步的精确度就显得尤为重要。而数字控制机器臂的使用帮助我们达成了目标。图10显示的装配流程为：先定位摆放位于图中深色三角形上的单体（边沿低的单体），之后再摆放边沿高的单体也就是在图中浅色的三角形的位置，而这里的机器“头”又换成了吸盘。这种装配策略的优势会在大规模的工厂生产中得到更好的体现，这也是我们在课程设计中一直想达到的目标：建立一套合理有效并精确的工业生产流程，为之后的持续研究做最大限度的准备。

课程设计的最终产品（图11，12），长1.6m，宽O.6m，重约100kg，被吊装在设计学院的梁上做最终的作品展览。烧制后的陶瓷单体的美观甚至超越了我们的预想，而双层的钢筋混凝土与陶瓷的混合结构表现也符合预期（图13）。

此作品得到了课程设计的杰出评分（distinction）和2011～2012年度哈佛设计学院Peter Rice奖项，并参与了2012年美国最大的数字建造会议ACADIA，论文则被收录到年鉴中。而作为持续的研究项目，我们也在一直争取把它全尺度建造出来。图14为我们提出的位于哈佛设计学院后院的连廊设计，其尺度为课程设计作品的数十倍，此设计正在进行中，希望能在不远的将来得以实现。