作者：吴昊 第十七届威尼斯建筑双年展（Venice Biennale of Architecture）于今年5月22日开幕，将持续到11月21日。这本来一直在偶数年份举办的建筑展由于疫情从2020年推迟至今。这次双年展的主办人Hashim Sarkis教授（MIT建筑系主任）表示：“我们需要一个新的空间契约。在如今政治分歧加深，贫富差距扩大的背景下，我们号召建筑师共同想象，我们如何丰盛地生活在一起（Live Together）。”Live Together这个主题应该说放在哪一年都是合适的，但在这个还不算严格意义上的后疫情时代，Live Together又多了一份对于以往生活方式的审视和对未来全人类作为命运共同体的关切。
Maison Fibre – ICD/ITKE/IntCDC University of Stuttgart
Maison是法语的房子，Maison Fibre就是纤维房子，其灵感来源于柯布西耶的Maison Dom-Ino，房屋总体形态，建筑面积等也与之相仿。这是全球第一座由机器缠绕纤维结构建造的，房屋足尺大小的构筑物。设计团队希望通过此作品向Maison Dom-Ino这一开启了梁板式现代建筑的划时代设计致敬，也许还隐含地表达了对这个作品的期许。这个作品的副标题是：面向一种新材料文化（Towards a New Material Culture）。作为双年展“材料文化（Material Culture）”主题的中心项目，它诠释的是一种由新材料和建造方式带来的独特的表现形式，空间体验和“去材料化”的结构可能性。Maison Fibre由于其独特性，成为威尼斯建筑双年展官网的封面项目。
（a）正面图
Figure 1：Maison Fibre正面，侧面，内部和仰视细节图（来源：ICD/ITKT - University of Stuttgart）
这个房子的结构主要由两种材料构成，黑色的碳纤维束和白色的玻璃纤维束。其中碳纤维束刚度和强度都更高，可以以钢材1/5的密度，达到钢材1/2-2/3的弹性模量和与低级钢相似的强度。每个纤维细胞（Fibre Cell）的制造采用的是无芯纤维缠绕（Coreless Filament Winding）技术，生产时不需要围绕作为塑形物的内芯进行缠绕。首先将纤维束在有机基液里浸泡，然后由机器人按既定路线进行缠绕，等缠绕完成，基液干燥之后，纤维定型，刚度和强度也就产生了。
这个项目的纤维细胞在斯图加特生产，然后运到威尼斯进行拼装。但在未来，不论是初建项目，还是扩建/改造项目，这样的制造都可以在当地进行，过程中也不会产生太大的材料浪费和生产噪音，并且能够对不同项目保持高度适应性和灵活性。
Figure 2：细胞的纤维构成（来源：ICD/ITKT- University of Stuttgart）
（a）
Figure 3：细胞的纤维缠绕（来源：ICD/ITKT- University of Stuttgart）
如下图所示，这个房屋主要由两个平面尺寸分别为7.5mx5.0m和5.0mx5.0m的单元构成。作为楼板的纤维细胞被分割成了2.5mx2.5m的模数进行设计和生产。楼板比墙单元更厚实，碳纤维的比例也更高。
Figure 4：Maison Fibre的模数和细胞构成（来源：ICD/ITKT- University of Stuttgart）
纤维细胞的内部很空旷，只有不到2%的空间由纤维占据，这也直接导致结构的材料用量很省。上部楼层的承重纤维结构在符合建造规范的情况下重量仅为9.9kg/m2，与20cm厚的钢筋混凝土楼板相比，这样一个纤维楼板的重量为混凝土楼板的1/50，加上上覆木板自重，为混凝土楼板重量的1/20。墙体纤维单元的重量还要更轻。
Figure 5：纤维楼板和传统混凝土楼板比较（来源：ICD/ITKT - University of Stuttgart）
下图显示的是纤维和楼面木板在设计荷载下的轴力/应力分布。
Figure 6：纤维和木板在设计荷载下的轴力/应力分布（来源：ICD/ITKT - University of Stuttgart）
由于对于这样新型的结构还没有现成的规范可以根据和参考，所以其设计需要很多数值模拟和实验的验证。
（ a ）
（ b ）
Figure 7：纤维细胞受力的数值模拟和实验验证（来源：ICD/ITKT - University of Stuttgart）
纤维结构一直是斯图加特大学ICD和ITKE在过去十年间重点研究的方向，其源头可以追溯到ITKE主任Prof. Jan Knippers对于自然界生物结构的研究。几乎所有生物的受力结构，深入到微观都是纤维状的，其纤维的组织，方向和密度都是根据其受力在千百万年间精细地调整校核过的。通过对结构仿生的研究，ICD和ITKE希望通过数字化设计和建造实现的是大自然对生物结构最基本的要求：更少的材料，更多样的形态（less material，more form）。与之相对的，是至今仍占主导地位的前数字化时代的建造方式：以更多的材料，弥补形态的贫乏。在这个意义上，作品希望传达的一种去材料化的材料新文化（A Material Culture of Dematerialisation），将在未来冲击更为宏大的生态、经济、技术等议题。
Striatus – BRG ETH, ZHACODE, incremental3D, Holcim
Striatus是一座由3D打印混凝土块干式拼装而成，没有配筋的砌体拱桥。设计由苏黎世联邦理工的Block Research Group（BRG）和扎哈·哈迪德计算设计研究组（ZHACODE）主导，与3D打印公司incremental3D合作，建造由混凝土制造公司Holcim完成。
Figure 8：Striatus正视图，俯视图和仰视细节图（来源：BRG - ETH）
Striatus将于7月份在威尼斯双年展由欧洲文化中心（European Culture Centre）主办的“时空的存在（Time SpaceExistence）”主题展亮相。由于这个项目还没有展出，所以很多设计和建造的细节还没有公布，笔者也只能就仅有的一些材料给大家做个介绍。
由几何实现强度（Strength through Geometry）
这是BRG的惯用手法，通过结构找型，让混凝土块仅受压不受拉，拱桥即可站立。借由计算设计，工程分析和机器人建造的先进技术，团队希望Striatus能够复兴传统建筑大师的高超技巧。不过可以看出这个作品与笔者之前介绍过的BRG的作品有所不同，之前的作品多是杆系或者薄壳单元，在设计时可以将其抽象为连续体，但这个拱桥是由更纯粹意义上的离散体块构成，其设计方法和破坏模式与连续体肯定有很大不同。
Figure 9：Striatus的离散化和荷载下的失效模式（来源：BRG - ETH）
循环设计（Circular by Design）
Striatus的设计理念是仅仅在需要的地方放置材料，从而大大减少了其碳足迹。它没有配筋，也采用的没有粘结剂的干式拼装，所以可以重复循环地拼装和拆卸。可以说哪儿需要展它，它就可以无损地出现在哪儿。
Figure10：Striatus的组装建造（来源：BRG -ETH）
混凝土的新建筑语言（A new Language for Concrete）
Striatus的设计做到了结构指导（Structurally Informed），建造知会（Fabrication-Aware）以及生态负责（Ecological Responsible），结果自然是以更少建造更多（Build More with Less）。
Figure 11：Striatus混凝土组件的3D打印（来源：BRG - ETH）
以下这个视频以更丰富的细节将以上这些设计原则穿插起来，但它并不会告诉你为何取了Striatus这个酷炫但绕口的名字。
Moon Village – SOM
这组起初命名为Moon Village的作品，在双年展上有另一个名字 – Life Beyond Earth，这是组非常有想象力的作品。月球村的总体规划和模块化居住胶囊由SOM与欧洲航天局（ESA）合作完成，其回应的仍然是双年展提出的人们如何Live Together的问题，但他们把目光投向了更远的外太空。也许从更为长远的视角来看，解决地球问题的终极答案并不在地球？（马斯克笑）
（ a ）
（b ）
（c ）
Figure 12：Moon Village总体规划（来源：SOM）
面对这个宏大的命题，SOM和欧洲航天局面临的挑战是：如何设计一套可持续的生态系统和舒适的永久住地，为人类在几十年后移居月球提供支持。为此需要解决几个问题：能量，资源和庇护所。
这个月球村坐落于月球南极的沙克尔顿陨石坑的边缘，在那里全年都可以接收到光照，这可以解决能源自给自足的问题。最重要的资源，水和燃料，可以从陨石坑背阴面的冻结水和冻结挥发物提取出来。
Figure 13：Moon Village坐落于图中红点所示陨石坑的边缘（来源：SOM）
模块化居住胶囊，作为人类和必要动植物在月球的生活空间，就不再是地球上建房子那么简单。它们需要能够抵御极端温度，太空抛射物和强辐射，此外还需要提供环境控制和生命支持系统。单个居住胶囊有四层，能够提供390立方米的可使用空间，和104平方米的可使用面积。
Figure 14：居住胶囊的构成示意图（来源：SOM）
（ a ）
（b ）
Figure 15：威尼斯双年展上展出的居住胶囊（来源：Instagram @venice.architecture.biennale ）
Figure 16：居住胶囊内部的生命支持系统（来源：SOM）
这个胶囊的主体外围结构采用的是刚性复合材料外框架+柔性充气外壳。内部结构可以从以下的渲染图中看出一二，但很多构件不仅存在于渲染图中，结构设计团队还进行了深入研究和测试。笔者还在SOM工作时，设计团队曾介绍了这个胶囊的金属楼板的优化、制造和测试。楼板形态大致由Hyperworks Optistruct进行的拓扑优化得到，之后用金属3D打印出来，然后进行质量检查和受力测试。在这胶囊里，必须增加每一分可用空间，减少每一克无用质量。
（ a ）
（b ）
Figure 17：居住胶囊内部的工作和生活空间（来源：SOM）
之前关于外太空居所的研究都关注的是短期的，将人的需求压低到最低限度的居住空间，但这个月球村则代表一些从根本上不同的东西。要在一个完全不适合人类生存的荒漠，建造出一个适合居住的家园，需要面临巨大的挑战，但这也让人从另外一个角度去看待，所谓家园，所需要具备的各种元素，有多少是居住空间提供的，又有多少是居住空间之外的环境赋予的。正如SOM设计合伙人Colin Koop所说：“SOM将建筑的定义为，科学和工程知识，与建筑美学和艺术愿景的完美结合。我们将月球村视作一个实验和制作原型的机会，还有什么比面对最极端情况并尝试解决这些问题更好的方法呢？”
Figure 18：居住胶囊准备就绪（来源：SOM）
OK，感谢各位看到这里。接下来，movie time！
https://www.itke.uni-stuttgart.de/research/built-projects/maison-fibre-2021/
https://block.arch.ethz.ch/brg/project/striatus-3d-concrete-printed-masonry-bridge-venice-italy-2021
https://www.som.com/projects/moon_village
作者简介
吴昊，毕业于东南大学和苏黎世联邦理工，曾在sbp，SOM等设计事务所工作，现任职于Jan Knippers Ingenieure。主要从事新型木结构和纤维结构的研究和设计，以及建筑结构信息化软件开发。
