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| 《城市 空间 设计》总15期 纤维合成物的可适应系统 |
urbanflux
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 2011-04-13 15:25 
      纤维合成物的可适应系统 FIBRE COMPOSITE ADAPTIVE SYSTEMS Konstantinos Karatzas, Maria Mingallon, Sakthivel Ramaswamy 仿生学 “刺激对应形态生成学”是指对于一个生物组织而言，对于环境中临时变化而采取的形状、结构以及材料属性上的反应。向日葵的转向，骨骼的内部组织和海葵的移动都可以作为例子来观察。这些生长中的运动或者针对变化的缓慢适应过程，都是基于材料自然属性的纤维合成物。自然界中只有有限的材料种类，其中一大部分都是纤维，植物中的纤维素，动物中的胶原蛋白，昆虫中的壳质与角素以及蜘蛛中的丝等。 1.物理实验通过形变测量仪来研究记忆合金的材料性能（供图Konstantinos Karatzas, Maria Mingallon, and Sakthivel Ramaswamy）。  自然生物有良好的传感器和刺激应对对策，使用一个连贯的形态机械学系统来对应环境中的刺激。建筑结构竭力去扮演一个高度复杂的有机生物来体现良好的环境表现性能。他们致力于动态适应为一个有效的构造，针对多种因素做出反应，诸如使用者、功能需求和环境表现性能等等。现有的建筑智能系统是由一系列可操纵的组件聚合而成，并且受到精确地控制，“刺激对应形态生成学”完全的不同。譬如在一片树叶中，叶脉支撑起了形式、结构属性以及营养传递，与此同时它们又是一个整体，既传感刺激又做出反应。这个连贯的形态机械学系统可以被命名为“整合的功能性”。这样一个连贯的形态机械学系统具有传感器、反应器、计算和控制的固件，都被埋植于一个纤维合成物的表皮中。针对材料的属性，纤维的组织，形式的定义和整体的连贯的形态机械学系统策略的控制，一个具有环境表现性能和智能的纤维合成物系统可以被用于设计的策略中。  2.最终物理实验的设置（供图Konstantinos Karatzas, Maria Mingallon, and Sakthivel Ramaswamy）。  3.由外部荷载的施加导致的形式的变化（供图Konstantinos Karatzas, Maria Mingallon, and Sakthivel Ramaswamy）。 技术 材料系统中光导纤维被用作传感器，记忆合金被作为反应器，而玻璃纤维则提供了结构的坚固性。这一切都埋植于以树脂为基质的聚合物中。光导纤维是一种玻璃或者塑料的材料，可以沿着它的长度方向传导光线。针对光线的不同属性，光纤被用来测量张力、温度、压力以及其他外部刺激。记忆合金（SMA）是一种合成的金属材料，在特殊的温度刺激下可以形变成之前的形状。纤维合成物则提供了局部编织它们物理属性的可能性，诸如针对张力方向所采用的浓度和硬度。 可适应系统中的纤维合成物由玻璃纤维和树脂基质构成，埋植的光纤进行传感，针对环境中的张力、温度和湿度。这些参数通过人工神经中枢进行输入，继而得以工作，形成一系列计算机模型。基于“多重状态平衡性”理论的生成形式，会针对其中最显著的参数进行动态适应变形。形式的拓扑定义是一个多层的构建镶嵌结构，镶嵌成为一个连续表面，这样一来，针对分化的结构属性、多孔性、密度、照度、自庇荫度、结构可以自由地进行构件种类的变化。系统的反应通过记忆合金条带完成。记忆合金通过改变在奥氏体和马氏体之间微分子的组织达到形状的改变。记忆合金条带是双稳态的，但使用这些合金条带生成一个理性的形式却可以生成一系列置换与化合来形成多重状态下的平衡，使得结构可以连续动态地适应环境。 物理实验测试了材料系统是否成为一个坚固的基础来激活可计算控制的几何关系。一系列物理实验被设置来理解材料性能，测试传感技术以及控制单元，最终发展成为原型来完成传感和反应的效能。材料系统的基质是玻璃纤维加固的环氧树脂。四条记忆合金（SMA）的条带和张力量尺被作为夹层固定于结构中。当有外部荷载进行施加时，张力量尺收到传感，并将信号传递给反应单元，激活反应回路。反应的控制器有两个输入值：SMA的反应温度的设定和传递过程。当控制器开关打开时，硅热镶嵌片开始针对合金进行加热，当过程温度等值于设定温度时，加热过程停止。这同时说明SMA达到了它的反应温度，完成了它的完全形变，从而没有必要进行继续加热。  4.局部的几何拓扑形式；(a)双层的六边形网格; (b,c)三脚架; (d)缝合曲线; (e,f)最终几何形式（制表Konstantinos Karatzas, Maria Mingallon, and Sakthivel Ramaswamy）。 几何关系 几何关系是在两个尺度上进行控制的：整体和局部。局部几何是由单个细胞的形式定义生成的。单个细胞的繁殖针对集合和材料之间界面的特定规则作出反应。这也包括了复杂几何针对数字模拟所进行的改变。模拟系统针对环境可适应改变的范畴，一旦感应到环境条件中的变化，在visual basic 和 vb.net的程序代码就会控制形体做出反应，同时诸如Grasshopper for Rhinoceros的关联性模型也被作为辅助程序使用。  5.针对不同光照和温度情况的多样的孔洞开合尺寸（供图Konstantinos Karatzas, Maria Mingallon, and Sakthivel Ramaswamy）。 局部层面 纤维合成物具有高强度的张力性能，在表皮和壳体系统中更得到良好体现，荷载在这类结构中沿着表面进行传导。一般来说，大型的设计都会进行外表面张力的估算，一个褶皱的策略可以用以估算表面的几何，形成针对假想“中立轴”而对材料重新分布形成的结构深度。局部改变褶皱的深度就可以达成有分化的结构硬度属性，形成了笼罩于表面形式纲要之外的空间网架。 细胞的形式基于分别位于两个层面之上的六边形单元网格，这两层网格又由两组“三脚架”相连接，在顶端和底端网格直接延伸。“三脚架”保持有定义“缝合曲线”的控制点。互相编织的表面的边界线—“缝合曲线”—是真正的系统的控制器。改变这些曲线或者曲线的控制点，会改变整个系统的几何关系。从而，SMA制成的反应器被放置在“缝合曲线”上，用以控制决定几何关系的三个最关键的变量。 孔洞的大小，管理光线和空气对流。 整体的曲率，允许动态适应成为双曲率的表面。 褶皱的高度，提供结构深度。 简单地改变定义每个细胞的三脚架上控制点的位置，孔洞的尺寸得以加大和减小。而孔洞尺寸的变化又会继而导致高度和整体曲率的改变；这样结构深度也有效地得到局部的改变。 为了更好地控制这些参数，控制点被组团成为四组，每组有三个控制点来避免不切实际的扭曲形变。通过这些控制点的有控制的形变，最初的六边形网格得以形成，而进一步空间网架的整体空间性也可以得到改变。这个形变工具整合了几个局部和整体的集合关系，都是为了增大整个系统的可适应性。 比如说，如果风荷载施加在某个特定区域，传感器会辨识出区域位置，而反应器会继而被激活，在数字模型中这一切通过“吸引点”得以模拟。受到影响的网格上的点会重新组织来提供受力方向上更强的结构深度，并与施加的荷载强度相匹配。  6.图表揭示了针对传统的竖向支撑横向扩展的结构形式的比较（制表Konstantinos Karatzas, Maria Mingallon, and Sakthivel Ramaswamy）。 整体几何关系 数字的形式自生成被用来寻找整体的形式。基于悬链线的逻辑，或者安东尼奥?高迪之前所探索的悬垂模型试验，一个数字的模拟程序被命名为“动态自松弛形式生成”。以一个传统的结构组件作为开始，优化的形式在系列过程中生成，作为基座来发展最终的整体形式。第二个脚本被用来模拟自然纤维的生长。纤维生长的数字模拟先对既定结构上的基本张力进行计算，然后基于有限元分析的结果和“动态自松弛形式生成”的几何形式结果来生长纤维。  7.从有限元分析中得出的主要张力传递路径（供图Konstantinos Karatzas, Maria Mingallon, and Sakthivel Ramaswamy）。 数字的形式自生成 结构的壳体形式可以被简单地估计为一个水平方向上延展的板层，有中心的支柱进行支撑。最后的曲面壳体使用连续曲面整合了横向和纵向结构构件的功能。一开始，在假想的支柱周围施加纵向的荷载，支柱负责将荷载传递到地面。脚本使用了“动态自松弛形式生成”算法，使得最终的结果从自下而上的过程中涌现出来。生成的结果是复杂传递施加的荷载的连续曲面。 在骨骼中，纤维沿着主要压力的传递路径进行分布，相当于结构工程领域的主要张力。这是通过旋转“柯西级数胁强张量”获得的—最初以笛卡尔坐标系为导向—然后进入一个剪力为零，而只有一般张力存在的坐标。剪力会造成“角扭曲”，这样一来可以减小破裂的危险性，通过使用纤维沿着主要张力路径进行组织分布。纤维生长的数字模拟先对既定结构上的基本张力进行计算，然后基于有限元分析的结果和“动态自松弛形式生成”的几何形式结果来生长纤维。  8.生成的纤维分布，生长于形式自生成实验得出的几何形式之上（绘制Konstantinos Karatzas, Maria Mingallon, and Sakthivel Ramaswamy）。 纤维然后被按照与张力传递路径类似的方向通过“缝合点”进行分布。更大的张力会导致更密集的纤维数量的提供。以最初模拟传统竖向支撑的形式自生成模型的中央支柱为中心，外围环绕的密集纤维成为最终曲面形式的一个纲要骨架。纤维弯曲并且成直角互相叠加，沿着主要张力的传递路径生长。它们围绕圆柱状的树干分布，越靠近支撑体的末端纤维越密集，反之则会互相散开，横跨弧顶进行延伸，在边角处渐渐消失。 从而边角处也成为了最灵活的区域，尤其当用来与围绕竖向支撑的区域相比较的时候。这在将反应技术应用到整个系统上的时候是至关重要的。这些灵活的纤维分布区域成为了密集的反应器布置的区域，布置有不同程度开合的局部几何形式。反之呢，因为围绕竖向支撑的区域的高密度纤维分布，反应器的布置就受到了限制。最终的结构是一个空间网架，由互相编织的纤维和连续曲面构成，而在整体尺度上，这种凸起凹下整合的结构形式也获得了结构硬度。结构深度在空间网架的中部跨度处生长得更大，但是仍然可以通过施加荷载的变化作出反应。  9.局部和整体几何形式的整合。最终设计的顶视图展示了细分化为不同的顶部结构组件（供图Konstantinos Karatzas, Maria Mingallon, and Sakthivel Ramaswamy）。 整体的功能性 纤维合成物的可适应系统展现了“整体的功能性”。诸如形式、结构、几何还有环境表现性能在内的多种因素被整合在了一个连贯的互相协作促进的系统中。自然界的生物展现了涌现的性能，因为它们是在不同尺度层级上复杂聚集起来的。作为策略的纤维合成物的可适应系统也展现了不同尺度上的组织构造，最终扩大了它的环境表现性能能力。从而我们可以说系统展示了涌现的性能，它不只是部分的简单累加，而且不同尺度上聚集逻辑的协同性导致了一个系统具有一种潜能，适应并有效自组织应对环境条件中的临时变化。 |
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《城市 空间 设计》总15期 纤维合成物的可适应系统
| urbanflux | 5205 | 2011-04-13 15:25 |
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