建築師如何進行星際設計
銀河系建造指南
建築師太空設計
2018年2月6日，Musk的SpaceX成功將他的重型獵鷹送上太空，其運載能力、高性價比、可回收性都領先於世界。同時運載的紅色特斯拉跑車上演了一場太空大秀，彷彿預示著人類銀河漫步和宇宙探索時代即將到來。在這之前，SpaceX還計劃2022年開始火星殖民，開啟外太空文明。而這看似科幻小說式的雄心壯志，卻又一次離人類如此之近；在這些科技富豪的推動下，星際旅行和外星殖民或許真的不是玩笑。對於建築師和規劃師來說，設計外太空建築群落的時候就要到來了；一個可以適應太空環境並可以自我維持（self-sustaining）的星球城市將進入議題。
本章將從
太空建築需求、外星建造黑技術、建築形態
三個板塊進行探究火星建築村落的可能性
圖片較多，請在WIFI下觀看
創建PayPal， Solar city和 Tesla的Musk又在太空領域書寫了濃墨重彩的一筆
紅色跑車和SpaceX無疑是一場成功的雙重營銷
其實，早在2013年，就有來自140多個國家的200,000人申請了移民火星的票，非盈利組織Mars One組織了這場志願活動。在他們的計劃里，人們將居住在多個充氣單元里，人均佔據250立方的容積空間。這個居住單元將由漫遊者機器人進行組裝。由生命支持單元為生存空間提供所需的氧氣和食物。居住單元會以模塊化的形式，易於安裝和維修。太陽能板和無土栽培農場將被應用於提供能源。
實際上，在外太空建築村落設計里，我們不能忽視的元素有以下幾點：
1. 人類生活環境的維持
2. 人類生活所需物質的提供（自給自足為主）
3. 人類心理狀態的維護（好的建築環境）
4. 建築如何建造
5. 建築表皮防護（防止威脅人類健康的宇宙射線）
6. 建築內部功能配比
7. 外太空城市連接和聚落組織
考慮到這些因素，太空建築設計無論是設施功能配備、建成環境維持、建築材料和建造技術選擇等等都需要仔細思考，也無疑是一種挑戰。不過在現有的技術之上，結合大量的案例我們可以以窺一二。
www.mars-one.com
一、太空建築需求
輸12
心理學研究表明，人在太空、深海、極點空間站都出現了很多頭痛、失眠、思鄉病等問題。這些問題的出現很大程度上是因為被限制的居住條件。比如局限的生活空間、人工的建造環境，缺乏基礎的日照景觀和私人等舒適感。對於短時間旅行來說，人尚可接受，但長時間地居住在這樣地方容易引起許多的心理疾病。所以之前只是作為遮蔽物的太空建築，現在則需要將人的因素考慮進來。
實際上NASA在1997年就提出了火星建築設計的一些詳細準則：
1. 更大的靈活可變的生活空間
2. 每一位殖民者有自己的私人空間
3. 有功能的分區（工作/休閑，動靜結合）
4. 又可以調節和再布置的分隔牆體
5. 通過連接模塊體，基地可以延展
6. 具有防止有害污染和隔離的能力
7. 便於運輸和調配工作
宇航員的需求表
產品設計師Sophie Becher設計的太空艙室內設計
所以在這樣的情況下，完善的功能設備至關重要，他們必須包括居住區、儲存設施、工作站、資源挖掘站（尤其是空氣和水，後期會考慮礦物質和建築材料）、能源收集和儲存裝置（火星距離太陽更遠，日照更少，需要更強大的太陽能設備）、食物生產站、推進燃料生產站（特別是氫氣和甲烷）、能源站（為了火星表面旅行）、交流設備。所以Musk認為，即使是一百萬的殖民者去開發火星，也需要消耗很大，並面臨更大的挑戰。
Source: http://www.zaarchitects.com/en/other/103-mars-colonization.html
另一方面，在結構上，有在地修建和展開式建築多種方式。其中展開的空氣艙建築更能保證無菌環境，並減少對星球表面的侵略性。輕便的彈性材料，可以大大減少飛船運輸的負載。同時，材料應該適應火星氣候，對於有害物質有抵抗力。而對於不同位置上的建築結構，可以採用
a. 堅硬的金屬和塑料材料
b. 可延展結構
c. 地下管道
d. 火星本地的磚石
而保護措施則可以選擇膜結構、溫度絕緣材料等等，我們將在下一章進行深度剖析。
二、技術支持
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傳統科技
常規結構來說，我們第一時間想到的就是各種出現在科幻電影里的太空艙。這種結構雖然證實是可以在外太空使用的，但是其價格並不便宜，並且非常笨重。為了便於攜帶或組裝需要做出一些改進。比如可以使用摺疊結構、彈性結構、延展鋼化材料和記憶金屬
Hoberman』s dome
http://www.inflatable-structures.com/
http://www.google.com/patents/US4587777
Fibre Composite Adaptive Systems
Architectural Association
而除了金屬、塑料材料，實際上火星本地的石材沙塊也是能夠使用的，並且其本身有防輻射等作用。對此，我們可以參考許多砌塊建築進行設計。除了常用的磚石拱、石塊建築，還可以利用將沙填滿做成建築材料進行堆砌。這樣的做法是可以就地取材。不過需要增加製作工藝。
利用沙袋製作的建築群落
http://www.earthbagbuilding.com/projects/sandbagshelters.htm
數字化建造
提到建築的建造，實際上之前的那些方法有好處也有弊端。並且很大程度上需要依賴人力。但實際操作中如果將開墾者交給機器人，會提高很多效率。所以我們在此探討數字化的可能性。
在公眾號之前文章里有提到過的漫步機器人進行編程製造（類似原理可以參照之前swarm theory那一篇文章）在集群智慧基礎上進行無人機或無人機器人設定。通過編程設定工作路徑和機械臂運作路徑再數字化建造太空建築。另一個技術則是我們提及的3D printing 列印技術。比起在地球上建好了大量建築設備原件再帶上去外太空，利用占體積較小的3D列印材料更為經濟方便。這種SpiderFab技術可以允許機器人在軌道上進行大規模的宇宙原件編織。同時這樣編製起的外太空設施不需要複雜的機械連接機制，並且更容易優化負載。這一點也能提高建築的組裝效率。
NASA develops 3D printing factory in space
我們以Starshade（一種配合太空望遠鏡來觀察星球的太空設備，減少光的彎曲度以方便太空照相機拍出更真實的星球圖像）為例，通過3D列印技術，可以做出強度更大、面積更大的設備，這樣更利於太空觀察。
Source: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20060008916.pdf
我們總結太空3D列印技術的優點如下：
1. 材料經濟、合適並且便於攜帶
2. 可以在外太空軌道安裝而不需要在地球安裝
3. 提高安裝效率，可以做出大規模的安裝工作
4. 可以做出強度更大的結構體系（易於增加附屬桁架結構）
5. 節點非機械連接構件，更容易操作和裝配
節點處列印即可，不用專門做出配件
而現在NASA實際上已經將第一台3D列印設備送上了太空，預示著太空3D列印時代已經來臨。這也為太空建築的建設提供了強大的技術支持。
Manufactured by Made in Space in collaboration with NASA』s Marshall Space Flight Center
在外太空進行的3D列印產品
Source: http://madeinspace.us/projects/amf
無獨有偶，著名高技派設計師Norman Foster和他的事務所也設計了幾款3D列印的太空建築。如果說之前的3D的列印還嘗試在裝置上，在福斯特事務所的設計里，這種技術直接被用在了建築上。通過一個模塊化的管道裝置展開起一個膨脹的居住艙。
Foster + Partners
上圖為Foster月球殖民地作品，
下圖為使用D-shape印表機所製作的作品
Source: http://d-shape.com/portfolio-item/underwater-moma/
在這個基礎上，D-Shape印表機將使用月球本身的泥土進行建造外部框架和土壤保護層，這個設計里也參考了自然衍生建築的概念。在經過許多類似地球極端環境建造的案例，事務所建議利用星球本地材料，可以更有持續性和適應當地環境。
而建造的地點則建議在月球的南極，因為那裡有無限的日照。一個艙可以住四個人，並且建築的目的是能夠防範伽馬射線、隕石和高溫變化。而這個想法也被福斯特事務所應用在了NASA的火星3D列印居住地競賽里（NASA懸賞2百萬美元募集作品，Foster事務所在這個作品裡與高校、工業合作者一起合作，署名GAMMA），並獲得了二等獎。在這個方案里利用了三種機器，分別用於挖坑，堆積土壤保護層牆和用微波溶化材料。
2ND PLACE + People"s Choice Award winner: GAMMA.
比起人為的近距離操作，這個項目還盡量減少人類輸入，而是採取計算機規則和目的進行機器規劃。這使得機器更能根據環境調節變化並面對意想不到的問題。
而我們再來看一等獎的方案，很大程度上歸功於他們對於建築材料的研究和革新。不同於僅僅使用火星材料，他們利用火星土壤硫化製作了火星混凝土。不像我們常用的混凝土，這種製作過程不需要摻入水（火星主要的水都是冰凍的）。另一個好處是，這種材料可以回收再利用，進行融化後重新塑形。並且它對酸、鹽都有天然抵抗力，並且耐低溫。
1ST PLACE: Detail of "Mars Ice House" by Team Space Exploration Architecture and Clouds Architecture Office.
三、建築形態
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實際上在以往的外星建築設計上基本上可以總結出幾種常見的空間形態：
1. 圓頂型（Habitat in Domes）
2. 利用地勢型（可利用隕石坑、峭壁或死火山洞）
圓頂型
圓頂型非常常見，因為圓頂本身代表著一個個的模塊，這些模塊可以很有效地進行組裝。另外太空艙也是這樣一個個進行展開，符合機械原理。上述競賽里，多數作品都利用了圓頂帳篷式工作艙作為基本型。當然，和建築設計一樣，即使是這樣的原型也有多種組合
Kozicki, J. and Kozicka, J
圓頂型的優點在於其功能方便組合，並且大小有時候可以決定分區。另外，這也是充氣式彈性結構常見的展開方式。但多組團式就需要中間的連接，最後容易形成村落型火星規劃。比如Musk的計劃中，火星村落就是這樣的：
當然，實際上圓頂型也可以形成集中式，參考現有的建築，比如英國的大型植物園伊甸園項目。以及同樣作為未來設計的Sadeh Criswell所設計的月球基地。
Eden project
Structural design of a lunar habitat
Journal of Aerospace Engineering
Mars Science City, Dubai, Bjarke Ingels Group
實際上，我們還可以用之前文章提到過的分形的手法進行設置，這樣的集中式可以給人以豐富的城市聚落感又可以減少在交通空間的消耗。
A fractal design for a lunar base by Hatem Al Khafaji of Dubai
利用地勢型
這種中心式建築以大型農場和greenhouse作為中心，可以方便提供氧氣。而這樣的建築可以設計在隕石坑內或者死火山留下的洞窟，很大程度上運用了地形， 而死火山等本身就是一道天然的屏障。這裡可以參考陝西的地下窯洞和matmata的地下建築。
上圖為陝西傳統民居，下圖為matmata homestead
實際上，外太空的死火山坑本身就有非常大的空間和強度，可以保護人類免受隕石、射線等危害。本身就是天然的屏障。同時也可以減少挖方量，利用原有的洞窟，就可以在火星建設城市。（下圖是月球的死火山坑比例）
ZA事務所曾今在2013年設計了一套地下火星城市，通過鑽井機器人先行，大量開發地下洞窟。然後再將居住艙植入，在這樣的空間里能夠保證基本的防護和安全，並能提供適宜的溫度。
在未來，這可以發展成巨型的地下城市。而通過無數採光井進行採光也不會顯得黑暗。而這些天然的屏障也能起到非常大的保護作用。
http://www.zaarchitects.com/en/other/103-mars-colonization.html
除了洞穴，另一個設計師團隊Team Staye還建議直接將建築植入冰川里，這樣有充足的水資源供給。同時冰海還可以提供宇宙射線的防護，而氣候在白天也很暖和。
再者就是利用懸崖峭壁。其實，峭壁式在設計競賽中經常被應用，而在太空這種形式也有很多好處，一方面可以利用洞穴作為自然屏障，另一方面因為是垂直關係，不容易受到隕石等危害。另外靠近洞穴能夠更好地進行溫度調節，並且能夠減少許多的工程量。實際上秘魯的階梯式建築就是這樣一個範例。
後記
銀翼殺手有句著名的台詞：「我見過你們人類難以置信的事，我見過太空飛船在獵戶星座的邊緣被擊中，燃起熊熊火光。我見過C射線，划過"唐懷瑟之門"那幽暗的宇宙空間。然而所有的這些時刻都將消失在時間裡，就像...淚水...消失在雨中一樣。」
然而此刻人類的淚應該是激動的——銀河系的星辰大海彷彿就在眼前。那些對於銀河系的所有幻想終於踏出了顯著的一步。所以夢想一定要有的，萬一有一天就實現了呢。中二少年也能拯救世界。
參考文獻
An Astronaut Gardener On The Moon - Summits Of Sunlight And Vast Lunar Caves In Low Gravity, Robert Walker, available from: http://www.science20.com/robert_inventor/an_astronaut_gardener_on_the_moon_summits_of_sunlight_and_vast_lunar_caves_in_low_gravity-180516
Balint, T. and Hall, A., 2016. How to design and fly your humanly space object in space?. Acta Astronautica, 123, pp.71-85.
Harrison, A.A., 2010. Humanizing outer space: architecture, habitability, and behavioral health. Acta Astronautica, 66(5-6), pp.890-896.
Kozicki, J. and Kozicka, J., 2010. Architectural concepts of Martian bases built: of domes, around greenhouses and into slopes-the human aspect and the technology. In 38th COSPAR Scientific Assembly (Vol. 38, p. 3).
Kozicki, J. and Kozicka, J., 2011. Human friendly architectural design for a small Martian base. Advances in Space Research, 48(12), pp.1997-2004.
Martinez, V., 2009. Architectural design for space tourism. Acta Astronautica, 64(2-3), pp.382-390.
Ruess, F., Schaenzlin, J. and Benaroya, H., 2006. Structural design of a lunar habitat. Journal of Aerospace Engineering, 19(3), pp.133-157.
Sen, S., Carranza, S. and Pillay, S., 2010. Multifunctional Martian habitat composite material synthesized from in situ resources. Advances in Space Research, 46(5), pp.582-592.
Sherwood, B., 2017. Space architecture for MoonVillage. Acta Astronautica, 139, pp.396-406.
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