? Roland Halbe 与传统的木结构建筑相比，FIT仿生展馆将建筑对环境生命周期的影响降低了50%。独特且高效的分段木 壳 结构可完全解构，在后续也可完全重复使用。
与传统的木结构建筑相比，FIT仿生展馆将建筑对环境生命周期的影响降低了50%。独特且高效的分段木 壳 结构可完全解构，在后续也可完全重复使用。 嵌在木壳中的大型天窗被称为“太阳能门”，它是一种通过仿生技术、能源自主技术、4d打印技术制成的遮阳系统，有助于调节室内气候。再加上由再生混凝土制成的活化楼板，为建筑营造出全年的舒适环境，并在最大限度上减少了服务设施的添加。
位于FIT弗莱堡互动材料和仿生技术中心的livMatS仿生展馆是一座开创性的研究建筑。宽敞的内部空间，自然渗透到周围的校园环境中，作为创新技术的建筑孵化器，促进了跨学科研究协作的发展。同时，该建筑本身也代表了两个卓越集群的研究项目的成果，展示出来自斯图加特大学IntCDC（综合性计算设计和建造）以及来自弗莱堡大学livMatS（生命、适应力和能源自主材料系统）的精英们，对可持续建筑的综合设计与建造方向上的研究与方法。
▲项目概览 ? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart,
Photo Conné van d‘Grachten
本项目整合了两个精英团队的不同研究方法，并将这些方法实际落地。与传统的木结构建筑相比，FIT仿生展馆将建筑对环境生命周期的影响降低了50%。独特且高效的分段木 壳 结构可完全解构，在后续也可完全重复使用。随着计算设计方法、机器人预制和自动化施工过程的综合发展，以及木结构中人机交互新形式的研发，完全可持续建筑的实现成为了可能。嵌在木壳中的大型天窗被称为“太阳能门”，它是一种通过仿生技术、能源自主技术、4d打印技术制成的遮阳系统，有助于调节室内气候。再加上由再生混凝土制成的活化楼板，为建筑营造出全年的舒适环境，并在最大限度上减少了服务设施的添加。整个建筑呈现出丰富的表现力与灵活性，展示了可持续建筑的潜力与可能性，同时，它也将作为两个团队进行进一步研究的平台。
▲分析图
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart
▲木制展馆 ? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart,
Photo Conné van d‘Grachten
livMatS仿生展馆是弗莱堡大学FIT Freiburg互动材料和生物启发技术中心的延伸。它为跨学科研究思想的发展提供了空间。作为一个自由思考的场所，该建筑独立于校园，同时又通过开放的立面与周围景观形成流动的过渡。
▲建筑由两个客体组成
? Roland Halbe
建筑围护结构的设计基于海胆板骨架的形态学原理，该原理已经在斯图加特大学的计算设计与建造研究所(ICD)和建筑结构与结构设计研究所(ITKE)进行了十多年的研究。在本项目中，分段壳结构进一步发展为一种全年和永久使用的高度绝缘结构。建筑外壳的独特形状是由两个不同形状和不同大小的壳体组合而成的。交错的形态创造出一处开放的天窗，这种形式在传统的壳结构建筑中是非常罕见的。创新的木结构跨越200平方米的建筑面积，由127个不同的空心盒子组成，两个盒子之间通过交叉螺丝连接在一起。在组装状态下，木壳的弯曲几何形状作为一种形式主动结构，实现了16米的无柱跨度，同时，壳表面的重量仅为27千克/平方米。这种构造不仅为建筑赋予了完全重复使用的可能性，而且确保所有结构部件都是可以分离的。
▲交错的形态创造出一处开放的天窗
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart, Photo Conné van d‘Grachten
▲正立面夜景
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart, Photo Conné van d‘Grachten
除了外壳结构的有利形式外，组成外壳的“空心盒子”也展示了如何通过综合数字技术在木结构中追求资源效率和可持续性的新方法。“空心盒子”作为建筑的组成模块，由三层云杉板的顶层和底层以及云杉边梁拼接而成。但是这种适应负载且具有几何差异性的模块化结构，往往会导致设计与搭建中的额外工作，造成不经济的情况发生，面对这种情况，可以通过综合计算设计方法、机器人制造和自动化装配来补偿，从而显著减少资源消耗和环境足迹。详细的生命周期分析（根据ISO 14040-14044和EN15804的LCA）表明，与传统木结构建筑相比，livMatS仿生展馆的材料消耗减少了50%以上，进而降低了63%全球变暖的可能。
▲分析图
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart
▲天窗近景
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart, Photo Conné van d‘Grachten
▲自遮阳系统
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart, Photo Conné van d‘Grachten
为了保证室内的舒适性，通常需要消耗大量的能量，建筑物占全球碳排放的很大比例，因此减少采暖，制冷和通风所需的能量非常重要。livMatS仿生展馆的舒适性源于将多方面影响因素的数字化建模整合到设计中的策略，这种策略能够尽可能地降低建筑对技术设备的需求，进而减少设备所消耗的能量。合理的区位与朝向，使展馆在冬日里不会被遮蔽在周围建筑的阴影下，同时朝南的大型天窗又为室内引入了充足的温暖日光。木制外壳中填充有木纤维保温材料，而由再生混凝土制成的热活化楼板则能够充分利用当地地热能产生的低温，确保展馆在冬季的室内热舒适，同时，避免了夏季由于阳光照射而造成的高热负荷。
▲分
析图
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart
▲形态分析
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart
▲内部空间
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart, Photo Conné van d‘Grachten / Roland Halbe
天窗上的气候响应遮阳系统能够在夏季将室内与高温的室外环境隔离开来，同时在冬季允许太阳光照射进室内，起到调节建筑的室内气候的效果。“太阳能门”的被动适应功能，是在斯图加特大学和弗莱堡大学之间的长期合作之下，通过对植物球果的湿度控制仿生原理的研究，并将该原理应与材料的吸湿性和异型结构的结合下实现的。
▲大跨度的无柱空间
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart, Photo Conné van d‘Grachten
▲内部灯光效果
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart, Photo Conné van d‘Grachten / Roland Halbe
基于仿生原理的生物基吸湿材料和增材制造工艺的综合开发使遮阳元素的材料结构能够根据日常和季节性天气周期的变化进行自我塑造，以调节室内气候。424个自成型遮阳元素由生物基材料制成，分布在10平方米的天窗上。考虑到环境和场地条件，这些自成型遮阳构件采用了4d打印工艺进行编程制作，在不需要消耗任何能量的情况下提供全年遮阳，同时收集太阳能。“太阳能门”气候响应式立面、高度绝缘的建筑围护结构，加之再生混凝土活化楼板，为展馆创造出全年热舒适的室内环境，而不需要任何其他暖通空调设备。
▲分析图
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart, Photo Conné van d‘Grachten
▲细部
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart, Photo Conné van d‘Grachten
组成屋顶结构的“空心盒子”具有极高的材料效率，并且在2019年海尔布隆BUGA木馆中以临时性开放结构的方式得到了证明。而在本项目中，它则被进一步发展为一个永久性的、可全年使用的封闭建筑。展馆中的木结构也得到了优化，包括采用更可持续的木材材料，并且调整了组件尺寸，以便在机器人制造过程中尽可能减少废物的产生。资源节约型定制构件的基本理念也在声学元素、照明、集成绝缘、面板连接和自动组装的抓握孔的集成中得到了持续的深化。部件的几何形状和结构的高度复杂性在高度集成的计算设计与制造程序中得以实现。在制作成本方面，由于采用了经过优化的机器人制造工艺，与使用实心交叉层压木材(CLT)盒式材料的同类型构筑物相比，空心盒式系统的GWP降低了35%。
▲分析图
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart
▲机器人制造过程
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart
▲项目 采用了更可持续的木材材料
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart
预制的核心是一座新研发的可移动7轴机器人平台，这个机器人能够在短短几个小时内与项目工业合作伙伴müllerbaustein HolzBauWerke GmbH的工厂生产流程无缝融合。12米长的机器人平台可以同时生产四个长度达3.5米的部件。每个“空心盒子”单体都由重型机器人固定，并由单个数字预格式化的木制部件连接、粘合，并在进一步的步骤中，铣削，钻孔，最后通过锯片以省时的方式切割，精度能够控制在亚毫米范围内。通过这种方式，与BUGA展馆相比，本项目中机器人生产时间可以减少75%。在数字化制造中，项目团队还通过虚拟现实技术，将“空心盒子”、灯光、音响等需要人工安装的特殊部件直接集成在一起。
▲分析图
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart
▲制作过程细部
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart
分段式轻型木结构由于预制精度高、构件重量轻，非常适合于现场进行自动化装配。而此次也是两个研究团队首次在项目范围内，采用分段式壳体结构进行现场搭建施工。为此，团队特地开发了两个带有末端执行器的网络物理装配平台，该装置可谓是将自动化装配概念从数字孪生融入到实际建设过程的一大进展。
▲分析图
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart
▲现场 组装过程
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart
装配过程由一架蜘蛛型机器人重机完成，它能够用真空爪抓取组件，然后自动将组件放置并固定在相应的安装位置，直到各个组件之间由螺钉自动连接到一起。为此，另一台配有新型螺旋效应器的蜘蛛起重机会自动靠近待连接的组件边缘并插入所有螺钉。针对施工机器人的重要定位和精度问题，团队还开发了一个由4个全站仪组成的自动化实时全站仪网络，其中2个全站仪能够精准确定每个施工机器人的位置。为了保证复杂壳体结构的顺利装配，质量保证是至关重要的，其目的旨在于所有生产步骤中检测“空心盒子”几何形状中可能出现的偏差。为此，团队采用了地面激光扫描仪对选定的“空心盒子”进行数字扫描，然后便可以将其与目标设计的几何形状进行比较。这些检测步骤是在生产后、施工现场组装前和安装状态下进行的。为了保证最终展馆的建筑质量，项目团队还对成品外壳进行了扫描，以最终评估几何形状是否达到设计要求。
▲总平面图
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart
▲平面图
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart
▲立
面图
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart
▲剖面图
? ICD_ITKE_IntCDC University of Stuttgart
Cluster of Excellence IntCDC – Integrative Computational Design and Construction for Architecture, University of Stuttgart.
ICD Institute for Computational Design and Construction
Prof. Achim Menges, Felix Amtsberg, Monika G?bel, Hans Jakob Wagner, Laura Kiesewetter, Nils Opgenorth, Christoph Schlopschnat, Tim Stark, Simon Treml, Xiliu Yang (Biomimetic Shell); Dylan Wood, Tiffany Cheng, Ekin Sila Sahin, Yasaman Tahouni (Solar Gate)
ITKE Institute for Building Structures and Structural Design
Prof. Dr. Jan Knippers, Simon Bechert
Cluster of Excellence LivMatS – Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems, Albert-Ludwigs-Universitat Freiburg
Prof. Dr. Jürgen Ruhe, Prof. Dr. Thomas Speck, Prof. Dr. Anna Fischer
Müllerblaustein Building Structures GmbH, Blaustein
Jochen Friedel, Johannes Groner, Daniel Gold
Cluster of Excellence IntCDC – Integrative Computational Design and Construction for Architecture, University of Stuttgart.
ISYS Institute for System Dynamics
Prof. Dr. Oliver Sawodny, Andreas Gienger, Anja Lauer, Sergej Klassen
IIGS Institute for Engineering Geodesy
Prof. Dr. Volker Schwieger, Sahar Abolhasani, Laura Balangé
ICD Architectural Computing, Institute for Computational Design and Construction
Prof. Dr. Thomas Wortmann, Lior Skoury, Max Zorn
IABP Institute for Acoustics and Building Physics
Prof. Dr. Philip Leistner, Roberta di Bari, Rafael Horn
IntCDC Large Scale Construction Laboratory
Dennis Bartl, Sebastian Esser, Sven H?nzka, Hendrik K?hler
FURTHER CONSULTING ENGINEERS:
erdrich wodtke Planungsgesellschaft mbh
Transsolar Klima Engineering GmbH
Prof. Dr. Thomas Auer, Christian Frenzel
Belzner Holmes Light-Design
MPA University of Stuttgart
Prof. Dr.-Ing. Heinrich Bechert + Partner
FW Glashaus Metallbau GmbH & Co. KG
L?sch GmbH & Co. KG Lightning protection construction
Parquet Studio Ganter GmbH & Co. KG
Rees Sanitary and heating installations
DFG German Research Foundation
Carlisle Construction Materials GmbH
HECO-Schrauben GmbH & Co. KG
Dimensions: approx. 16.5 x 15.5 x 10 m (LxWxH), Floor Area approx. 200m2, Shell Area 345m2, Structure Weight 27kg/m2
Construction: load-bearing shell made of robotically prefabricated hollow cassette segments of spruce triple-layer plates and spruce rim beams, vapour barrier; ventilated fa?ade: wood fibre insulation, EPDM sealing, larch triple-layer panels.
