建築能列印嗎？清華博士的前沿探索
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他畢業自哈佛大學設計學院，
在海歸大潮伊始之時，
回國成立個人工作室，
並同時攻讀清華大學建築學博士，
成為數字建築設計領域裡一位開拓者。
他研發三維印表機，
利用工業機器臂創作大型三維列印藝術裝置，
致力於將建築思維、方法和邏輯跨界應用，
以創新的整合方式提供數字設計及工業解決方案。
他的作品Vulcan Pavilion，
獲得吉尼斯世界紀錄
「世界最大三維列印建築」稱號。
他就是——
於雷
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於雷工作照
於雷的工作室ASW（Archi-SolutionWorkshop）「建解建築」數字建築設計工作車間位於北京朝陽區的郎園Vintage，是地處CBD心區的文化創意產業園。由於地理位置的優越、合理的空間規劃和一些優惠條件，不少具有相當影響力的文化創意企業集聚於此。於雷所做的事情代表著藝術與科技，正符合園區的主題，他在得到邀請後欣然將工作室安置在這裡。在園區，他有一片很大的地下空間作為研發基地，進行三維列印以及機器臂建構的試驗與生產，另有一處小的地上空間作為展廳，最大的一台機械臂就放置在展廳中。
三維印表機開發
在本科學習建築設計期間，於雷就喜歡動手操作。自己開工做模型在二十幾年前的建築學生當中，可不是一個普遍的做法。當他出國深造時，發現國外的培養方式更看重動手能力，感到很契合，自身興趣和能力都得到了長足的提高。他一直認為，無論是工程師還是設計師，親自參與作品製作才能稱作創造的過程，僅繪製圖紙或者製作出符合工業標準化生產的樣品並不可取。這種想法成為他不斷探索的內在動力。
2009年底，三維列印技術的專利保護到期，引起了全世界創客、極客和工程師的關注，熱熔堆積技術得到了全面的開發。於雷對此也十分感興趣，在沒有找到三維印表機賣家的情況下，懷著對動手操作的熱情，將其當作一種愛好開始了鑽研。早期工作室從事建築項目的收入，幾乎全部被投入三維列印的技術開發和設備試驗之中。前後花了兩年有餘的時間，在2012年做出了第一台樣機。
從宏觀的角度上看，彼時的建築行業特別是國際建築界，數字設計早已興起。以數學為核心，引入工程學、物理學等領域的技術知識，許多建築師、設計師用這種方法解決長期找不到妥善方案的問題。例如建造異形空間、應用特殊材料、更新建造方法，等等。三維列印手段的興起使數字建築設計的理念有了實現的可能性。
2013年，美國製造業轉型，總統奧巴馬在公開演講中稱「三維列印拯救未來」，引起了全世界對三維列印技術的關注。這時於雷的研發成果已經比較成熟，開發出的一系列樣機中，大型的三維印表機能夠生產直徑半米左右的對象。由於研究起因於個人愛好，於雷最初並沒有轉去專門銷售自己研發的三維印表機，而僅將其應用在實現自己的設計理念和一些建築裝飾的製造上。從2013年開始，於雷將自己的研發成果申請專利，目前已擁有專利十幾項。2017年9月，於雷的工作室被核定為國家高新技術企業。作為由建築師主導的設計工作室，獲得這一定位的可謂鳳毛麟角。隨著三維列印技術觀念的普及，越來越多的人開始尋找購買三維印表機的途徑，於雷也樂於將自己的成果進行分享。
於雷工作室產品：大型三維印表機GRANDY，成型尺寸：1100 毫米×1100 毫米×1100 毫米（ 長× 寬× 高）， 設備尺寸：1550 毫米×1550 毫米×1600 毫米（長× 寬×高），列印精度：0.1 毫米~1.5 毫米，凈重：280 公斤，毛重：380 公斤
據介紹，工作室目前提供大、中、小三種型號的三維印表機可以購買，近年來購買量逐步上升。大多數客戶是設計工作室，用來製作模型，或者是高校，用於實驗室配置，提供給學生使用，個人愛好者也是其中一部分。對於普通的買家來說，大多是將其作為一個工具，利用機器的使用方式，作為設計過程中的工具，使原來需要尋求外部幫助製作的模型能夠自己完成。國外一直有公司出售三維印表機，除了距離和成本上的優勢，於雷能夠提供的技術指導和售後服務也是國外賣家不能提供的，因此在市場上有很強的競爭力。全自主開發所得的三維印表機所擁有的核心技術是其中真正具有價值的部分。另外，工作室利用三維列印技術做出的藝術裝置，成果有目共睹，許多客戶也是因此慕名而來。正如ASW的理念所說：「從建築方案、空間設計、藝術裝置到專業教學，我們堅持『車間』的操作模式，堅持將繪圖工具和加工工具作為同一種設計的手段。」可以看出，工作室更注重的是將技術應用到具體的實踐中去。
世界最大三維列印建築的誕生
三維列印技術有很多優勢，同時也受到很多限制。首先就是材料上的，雖然有很多材料都可以進行列印，但最常用、成本最低的塑料耗材抗彎性能很差，受到不同方向上的力容易折斷，但是抗壓性能優秀。在材料特性的基礎上，於雷將三維列印編程結合參數化設計，結合拱形結構演算法，設計出純受壓結構體系，稱為「蠶絲混凝土」結構。三維列印的蠶絲結構形成複合材料，依據合理的受力原則，將大型連續曲面拆分成一系列多邊形平板結構，在沒有框架的前提下，通過榫卯構建起大型的結構。首個試驗在2015年5月完成，形成一個約5米×6 米×3米的拱形結構，所積累的專業技術及經驗成為之後獲得吉尼斯世界紀錄「世界最大三維列印建築」稱號的Vulcan Pavilion的基礎。
蠶絲混凝土-Silky Concrete Pavilion
Vulcan一詞源於拉丁語，有「司火之神」之意，英語單詞的意思為「火山」——象徵著大自然變化莫測的力量，以及人類文明的脆弱。VulcanPavilion於北京國際設計周期間在北京僑福芳草地展出，是三維列印建造應用到人體尺度的一次成功嘗試。最終結果是一個形如火山噴發蘑菇雲狀的拱形結構，邊長8.08米,高2.88米。如此大體量的作品，由於應用了數字設計和三維列印技術，在造型上達到極大的突破，可控性很強。建造對象的體量擴大意味著對力學設計有很高的要求，製造工藝決定了零件的數量十分龐大。可以說，只有通過數字設計進行的零件設計生產，才能夠保證建造過程的合理性，最終獲得成功。裝置整體由三個同樣的模塊組合而成，在一個等邊三角形的範圍內呈120度中心對稱，包含1086個三維列印的獨立部件。這麼大量級零件的製造裝配時間卻很短，20部大型三維印表機用30天製作出所有構件，隨後在現場，15個人用了12天時間將所有構件裝配成一個整體。最終的成品高4.5米，最薄的位置厚度僅2厘米，誤差小於5毫米。與傳統製作模式相比，如此小的裝配誤差是不可想像的，體現出三維列印技術巨大的優勢。
Vulcan Pavilion–2015 北京設計周三維列印空間構築物，獲得吉尼斯世界紀錄「世界最大三維列印建築」稱號
這一項目的成功也充分體現了於雷的建築師素養。建築與其他設計領域不同，更為注重空間的結構性。相較於室內設計圍繞現有的空間進行藝術性創作，建築設計更多的是思考結構與空間的關係，以及構建具有特定屬性的空間。這種專業背景，使得於雷和其他三維列印愛好者在思維模式上從一開始就有所不同。雖然最終呈現的是一件藝術性很強的作品，但在創作過程中，於雷考慮更多的是工程學上的因素。另外，得益於數字建築設計的發展，利用計算機模擬技術能夠在短時間內獲得合理的結果，減少了試錯所帶來的成本消耗。於雷對三維列印技術的掌握解決了加工工藝上的難點，結構力學知識使整體結構設計能夠滿足三維列印材料的特性，加上建築師所具有的空間構造和處理能力，以及人與空間關係處理的設計，共同促成了這一令人驚嘆的藝術裝置作品。
在普通人看來，這只是一個三維列印出來的、零件更多、體量更大、看起來更複雜的裝置，充滿新鮮感。然而在對三維列印技術有所了解的人眼中，Vulcan Pavilion的成就是多方面的。
第一，也是基礎，是將三維列印技術應用於空間的營造，最終作品尺度擴大到可以容納人的日常行為。
第二是使用最常見的列印材料進行製作。而眾所周知，這種材料的韌性是其短板，結構設計稍有差錯，某一塊零件受到彎折的力，馬上便會斷裂。
第三是加工工藝，三維印表機的生產方式決定了所生產的單個零件的大小受限於印表機體積的大小。這就意味著要塑造大體量的結構，需要龐大數量的單體才能夠完成。
第四是編程技術的支持，通過精密編程，能夠實現每個零件在形式上的獨特性。
第五是建造結構設計的合理性，在符合力學結構的前提下，將大量零件拼合起來形成建築結構。於雷使用了拱券的原理，正如傳統建造經典趙州橋一樣，每一塊零件的受力都是上下的壓合力。第六是裝配過程中的合理性。統計、運輸、現場裝配，要在過程中減少損耗、誤差並提高效率，最大限度地節省時間。
Vulcan Pavilion項目成功之後，於雷獲得了廣泛的社會關注以及一些三維列印裝置的訂單。與Vulcan Pavilion的實驗性不同，定製項目需要根據展示內容的需要，適應環境、塑造更為靈活的空間。在香港翰海的展示活動中，又一個以結構自支撐為建造原則的「三維列印之雲」得以實施。模塊共有近3000個，最大跨度達到了28米，最大高度達到4.5米，覆蓋面積近300平方米，15個人耗時10小時拼裝，使用耗材近3噸。各項指標都在實驗項目的基礎上有所提升。在活動結束後，三維列印構件拆分後運至北京，重新組裝，用於北京翰海的展示活動。這也體現出這一技術手段所製作品拆裝簡易、運輸方便、可重複使用等特點。
三維列印之雲– 香港瀚海秋拍展場設計
在進行這項實驗時，設計者考慮更多的只是如何將其實施，如何成功突破一個個技術難點。然而當成品在公共空間向所有人開放時，每個參觀者的反饋都是不可預料的。據於雷介紹，令人印象最為深刻的是兒童與裝置之間的關係。孩子一跑進作品包裹的空間之內，就像換了個人一樣，行為方式和心理狀態都發生了變化。他們蹦蹦跳跳，喜笑顏開，互相追逐，與在外面牽著父母的手安靜地參觀完全不同。這也不由得讓人思考這樣的空間會給人的心理產生什麼樣的實際影響。這也是於雷所認為的，真正能夠體現作為一名建築師進行藝術創作的優勢，即創造人類行為尺度的空間，邀請參觀者進入作品內部進行感受。在這種情況下，受眾的反饋也許會超過創作者的預期。誠然，在空間的處理背後，有著許多理論，知覺現象學、建築心理學、場所、空間、精神、行為之間錯綜複雜的關係支撐著建築的實踐活動。這種類型和模式的空間，既然是全新的創造，那麼人們身處其中的感受也是之前並沒有出現過的，值得從理論上去進一步思考。
Arachne– 三維列印建築外牆裝置
除了大體量跨越式的結構，已經利用三維列印技術完成的項目還有位於廣東佛山的Arachne數字化外牆裝置。採用干掛幕牆體系，近2000塊各不相同的三維列印構件用螺栓固定於龍骨之上，形態複雜、嚴謹。再如大型雕塑作品Cabala，具有流暢的線條，包裹著建築的一角，共300餘個單元，通過榫卯結構拼接而成，內部採用蜂窩填充結構，在不犧牲強度的情況下，大幅度降低了整體重量。室外工程與室內項目相比，最大的挑戰在於材料的處理。三維列印的塑料耗材並不能承受戶外環境的日晒雨淋。在進行室外工程時，除了造型、材料、空間處理方式、編程等工作，還要著力去研究如何使材料的耐久性提高。於雷最終採用的是塗層的方式，溶液自身的耐久度要好，和塑料材質的親和性也更優秀。
Cabala– 三維列印雕塑裝置
單就技術研究方向而言，下一步還有更多應用的可能。例如在新媒體互動藝術設計領域，之前多媒體作品常見的做法是在建築樓體上進行三維效果的投射。若能與空間深度結合，如在Vulcan這種人體尺度的建築空間中納入一些聲光電的設備，與建築空間的體積和形態契合併產生互動，全面營造的氛圍突破了在空間表面上簡單地做投射，給人所帶來的沉浸式感受和情感衝擊將是驚人的。能夠深刻理解並掌握這一技術的藝術家，也許會創作出非同凡響的作品。
機器臂建造技術
如上文所述，三維列印技術有自身的發展瓶頸，例如材料、成本、單體的尺寸等。在掌握了三維列印技術之後，於雷又對工業機器臂建造技術產生了興趣。實際上，他的Kuka機器臂編程首次與世人見面，是在郎園舉辦的「愛在陽光下」新媒體藝術展上，這是一次關愛艾滋病兒童的公益活動。其中一台機器臂上安裝了毛筆，通過編程寫出了「愛的陽光下」的字樣；另外一台安裝了一把扇子，同樣是以編程的方式實現與人合作，人機共舞呈現一場扇子舞蹈。可以說是機器臂應用於科學與藝術的首次碰撞。後來，在清華大學和同濟大學的工作營中，於雷在參數化建造的課程上引入了機器臂製造，開始將其作為一種設計工具的專業探索。
工業機器臂最早源於多軸自動化編程機械，用於貨物搬運，如今在汽車生產行業中有著成熟的應用，在其他產業中則很少見。通過編程，機器人可以完成一系列精密複雜的相似動作，實現參數化設計與數字加工手段之間的銜接。在2015年清華大學暑期工作營中，於雷帶領團隊完成了「機器人木構V1.0」（Robotic Bird Nest）。鳥巢裝置採用圓木棒作為建造材料，通過編程操縱機器臂，完成拾取、切割、開榫、擺放等一系列動作。每一根圓木棒的位置和長度都經過計算和優化，這樣「鳥巢」的形態便能夠得以嚴格控制。最終完成的「井乾式」水平疊加結構，每個榫口的角度不同，榫口之間上下對應，體現出機器臂加工和搬運的精度。2016 年7月，在前一年工作營成功的基礎之上，第二次工作營的參與人數爆髮式增長。此次工作營延續了木結構的主題，引入「互助自鎖結構」（Reciprocal）原型，在9天時間裡挑戰桿件的空間搭接構造形式。桿件的空間構成通過榫卯方式達成靜力學位置，這樣編程機器臂的智能優勢得到最大程度的發揮，每個榫扣都是獨一無二的。工作營的流程為概念研究、手模原型測試、機器臂工具頭測試、機器臂加工和裝配，多台機器臂協同工作的模式也得到了驗證。
Robotic Bird Nest– 機器人木構V1.0
Robotic Bird Nest– 機器人木構V2.0
三維列印是增材製造模式，而機器臂建造可以說是減材製造模式，同樣是利用數字技術進行生產製造，生產模式卻有很大的不同。三維列印通過堆積材料成型，而機器臂則是在已有的模塊上去掉多餘的材料，留下想要的部分，簡單來說，就是塑與刻的區別。二者相較，機器臂建造最大的優勢是建造的對象不受機器臂本身大小的限制。將機器臂作為一個工具使用，可以在無限大的對象上進行雕琢。另外，機器臂建造較少受到材料的限制，許多傳統材料得以利用，如木材、混凝土、玻璃，等等，極大降低了製造成本，擴大了創作空間。2017年秋冬交替之際，郎園委託於雷完成了北門長廊藝術廊柱的設計與製作。每根廊柱由水泥澆築，在展廳中使用機器臂進行雕琢後，移至北門落位，形成園區獨特的景觀。
用機器的觸角來代替人的手作，聽起來充滿了科幻色彩和倫理爭辯。特別是在阿爾法狗（AlphaGo）贏得了人機圍棋比賽，人工智慧不斷在社會輿論中製造熱點的當下，人們總會對不了解的事物心存懷疑。然而，回想一下機械化的普及給人類帶來了多大程度上體力的解放，也許忐忑的心態會有所緩解。機器化生產可以在編好的程序下全天24小時地完成工作，生產過程可以無限地複製，形成規模化，每次產出都能夠保證是完全相同的標準化。如今，除了這些以外，通過編程實現的數字化生產更進一步，在精度上遠遠高於人工所能達到的程度，在進行複雜曲面的切割時，誤差更低、效率更高。
Robotic Spider Silk– 立體蠶絲– 機器臂空間列印
結語
在真正的藝術創作時，機器無法代替藝術家的思考與表達，這是毋庸置疑的。然而，在實際情況當中，藝術品從理念到完成的過程確實有很多步驟可以利用工具完美地解決。例如，位於西班牙巴塞羅那的聖家族大教堂，1882年始建，在高迪設計建造的時代，建築全曲面的不規則效果全靠工人一塊塊切割石材實現。直至1926年73歲的高迪因電車事故去世，教堂僅完工了不到四分之一。如今，在採用機械臂洗削石材技術的條件下，工程取得了飛速的進展。自由的形態通過數字模型完成計算，機器臂加工將誤差最大程度地降低，速度更快、完成度更好。加上利用三維列印技術製造雕塑石膏模型，近些年聖家族大教堂的建造效率極大提高。
如今，無論是稱作工業4.0也好，信息時代也好，無論是三維列印也好，機器臂建構也好，雖然融入了大量的演算法和編程在背後操縱機器的行為，但這一現象的意義依然存在，即解放人類的雙手，進行更好的創造。如今，包含設計、製造、材料、加工、倉儲、運輸、經銷等環節的傳統產業鏈條正日漸衰落。在未來新型工業化、全面定製化製造的趨勢中，設計轉化為產品並被使用者佔有的過程被大大縮短。在這樣的新型產業鏈條中，設計師的主導地位會越來越突出。設計與創造日益成為一個集成的過程，以設計思維為根本，數字編程為手段，整合數學、物理學、工程學、材料學、心理學，最後的物質層麵塑形工作則由機器來完成。處理過程中複雜的交織關係，重新建立有機的、具有審美屬性的結構，是新時代設計師最重要的能力所在。為了能夠擔此重任，不斷打破思想壁壘，利用科技發展成果進行設計工具的迭代，也許是設計師未來最好的選擇。
來源 | 《裝飾》雜誌2017第12期，原標題：《數字技術創新與設計工具迭代》，作者：張明。文字經刪減、編輯。
本期編輯：某個遠方
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