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計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)協(xié)會（簡稱ICD）和建筑結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)協(xié)會(ITKE)一起在斯圖加特大學(xué)繼續(xù)他們的帳篷研究系列。該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和建造方法是基于水紡蛛建造巢穴的方法——這種生物生命中大部分時間都待在水中，因此為了生存它會建造一種加強(qiáng)的氣泡。

起初，水紡蛛會先建造水平的片網(wǎng)，將氣泡放置在片網(wǎng)下方，最終通過在內(nèi)部布置分層的纖維從而起到加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的作用。這種安全且穩(wěn)固的棲息地可以抵抗嚴(yán)酷的自然環(huán)境。其建造過程顯示出如何利用合適的裝配策略創(chuàng)造出有效的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。ICD/ITKE的2014-15項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)檢驗(yàn)了這種建造過程，通過分析、提煉，將這種行為方式轉(zhuǎn)變成了工藝性的制造過程。

為了將這種生物系統(tǒng)應(yīng)用到建筑建造中，在乙烯材質(zhì)的氣承膜結(jié)構(gòu)中放置了一臺工業(yè)機(jī)器人。通過在內(nèi)部必要的地方布置碳纖維，將這種最初容易彎曲的結(jié)構(gòu)逐漸增強(qiáng)成自承重結(jié)構(gòu)。最終這種膜殼形成了具有獨(dú)特建筑品質(zhì)的可居住帳篷，同時成為了一種材料得到高度利用的結(jié)構(gòu)。

 

↑最初容易彎曲的結(jié)構(gòu)逐漸增強(qiáng)成自承重結(jié)構(gòu)

在建造過程的最初階段，通過計(jì)算機(jī)形式算法得到膜殼幾何形式和主要纖維束位置。這種方法可以讓設(shè)計(jì)師將各種結(jié)構(gòu)參數(shù)操控融入到纖維束的方向和密度中。

對應(yīng)于這一點(diǎn)，為了進(jìn)行柔性膜內(nèi)部碳纖維加強(qiáng)作業(yè)，開發(fā)了一種典型的機(jī)器人自動裝配工藝。充氣結(jié)構(gòu)不斷變化的剛度和由此產(chǎn)生的波動為機(jī)器人控制帶來了特有的挑戰(zhàn)。為了適應(yīng)這些參數(shù)變化，當(dāng)前的位置和接觸力都會通過嵌入式傳感器進(jìn)行記錄，并實(shí)時傳入機(jī)器人，在實(shí)際生產(chǎn)情況和控制代碼生成之間能夠做到實(shí)時反饋。

 

↑有選擇性的在需要加強(qiáng)的地方應(yīng)用碳纖維

通過先進(jìn)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、仿真和生產(chǎn)工藝，ICD/ITKE的該項(xiàng)目展示了這種新穎建造方法的潛力。這樣得到的不僅僅是一種特別的高效利用材料的建造方法，也是一處創(chuàng)新的、動態(tài)的建筑范例。

 

↑膜殼形成了具有獨(dú)特建筑品質(zhì)的可居住帳篷

 

↑設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)檢驗(yàn)了水紡蛛網(wǎng)狀建造過程

 

↑生物的行為方式被轉(zhuǎn)化成為一種技術(shù)制造方法

 

↑這個結(jié)構(gòu)顯示了將生物系統(tǒng)到建造過程的應(yīng)用

 

↑展館展示了新穎建筑方法的潛力

 

↑最終得到的是有效的材料和一處創(chuàng)新的、動態(tài)的建筑范例

 

↑該建筑方法基于水紡蛛水下建造巢穴的方法

 

↑概念裝配方法：（1）充氣式膜結(jié)構(gòu)（2）機(jī)器人從內(nèi)部采用碳纖維增強(qiáng)膜結(jié)構(gòu)（3）固定復(fù)合外殼

 

↑復(fù)合外殼的有限元分析

 

↑基于主體的設(shè)計(jì)工具越過多種設(shè)計(jì)參數(shù)以決定纖維分布路徑

 

↑實(shí)體纖維布置過程

 

↑水紡蛛從內(nèi)部加強(qiáng)氣泡

 

↑機(jī)器人完成纖維增強(qiáng)的氣承結(jié)構(gòu)

 

↑機(jī)器人完成纖維增強(qiáng)的氣承結(jié)構(gòu)