LAC 课程笔记丨第一讲 BIO 瓷砖体—从设计与材料出发去考虑人们常说的“生态建筑” / 开普饭

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编者按：感谢来自UCL- RC5&RC7混合组的马跃广精彩分享！RC5主要是关于材料属性的模拟研究以及材料在数字建造方面的应用。RC7又名生物建筑实验室，是包含了建筑学，生物学和工程学三合一的研究课题组，主要探索生态建筑的建造过程和参数化模拟计算各类新型模型，以及对合成生物学，生物建筑技术，分子工程学和材料科学在建筑领域里的研究和应用。这两组的出发点都是从研究材料入手，再融入参数化模拟计算和最新施工技术，从而得出最终实际的设计成品。

| 主讲人 |

The Bio-Receptive Tilebrick（瓷砖体） - 随着全球温度日益升高和城市密度不断增大，建筑师与人们都在不断的追求绿色建筑。然而目前部分的绿色建筑上的植物都需要消耗更多的能源去维护，这样无非又给环境带来负担。与此同时生活中屋顶和墙面不免会因潮湿长有苔藓或是其他生物，这种不可控的现象是对建筑本身有伤害的。The bio-receptive tilebrick 项目从解决这两个问题出发，研究粘土，并用Agent Flocking system生成能最大化的控制和允许苔藓生长的建筑结构部件，最终用新的施工技术将设计实现。

| 项目立题出发点 |

基于环境原因，当代建筑自身对于某些植被如苔藓、地衣等不可抵抗性。植物在建筑表面的生长不仅会对建筑材料造成损伤，缩短建筑使用寿命；而且极大的影响建筑美观。当代的绿色建筑，虽然在一定情况下解决上述的问题，可是高造价与高维护一直是绿色建筑不争的弊端。

当代绿色建筑需要高成本维护

什么是The Bio-Receptive Architecture？

这种建筑拥有一种特殊设计的表皮可供特定的绿色植物有规律地生长，它具有耐久性、可控性、低维护性。Prof.Richard Beckett(UCL BiotA Lab )认为这种自我生长式的类仿生设计方式打破了传统建筑自上而下的建筑方式。当建筑师设计的建筑被建造后，不再只是设计图纸的建筑形态，影响形态的决定因素还有环境与时间。

The Bio-Receptive Architecture案例

| 材料实验1 — 粘土 |

传统建筑砖研究—孔隙率

与传统建筑砖不同，我们希望黏土烧制出来的砖能保留水分提供植被生长的环境。由于本身材料的酸碱度和孔隙率（吸水能力）使得其并没有很理想的条件为苔藓或是其他植被生长。基于改变酸碱度和孔隙率，在研究材料过程中，不同的黏土加入了不同的添加物试图通过高温加热使得黏土与添加物反应改变黏土原有属性从而形成新的适于苔藓生长的材料。

黏土与添加物

部分samples烧制结果

添加物苏打的偶遇发现

我们加入大米，谷类，苏打，植物等等不同添加物，最后实验发现当黏土混合苏打，高温加热时黏土与苏打反应自身的密度增大，烧制后的黏土表面会有一层自然的釉，降低砖的吸水性，从而使苔藓需要的水分大部分吸附在表面共它们生长，这是人工无法实现的。

右下角砖为加入苏打的粘土烧制后意外得到的表面釉

原有的砖吸水率一般高代18%以上，为了得到添加苏打后砖吸水性与苏打比例的关系，我们做了一系列不同配比的苏打实验，最后结论表明当苏打百分比不小于10%，砖的吸水性最低—2%，即最适宜植被生长

苏打配比与砖的吸水性的关系

| 材料实验2 — 苔藓培育 |

实验目的

为了加强植物自身存活的可能性，我们选定苔藓作为培育植物。通过控制苔藓植物三个生长要素：土壤PH值，背光性，水。并在新材料上进行种植测试对比实验。

苔藓培育测试

| 设计过程 |

设计理念是结合实验数据，生物模型分析，设计出能满足植被生长与符合材料属性的形体与纹理。我们希望这类生物建筑表皮能益于植物生长，并且随环境变化（如日照）能自我控制植物的生长，改变建筑肌理。

瓷砖体Tilebrick—拼接设计

考虑到瓷砖体在建筑上的运用与扩展，如何确定一个有效的形体与拼接方式成为设计的首要问题。随着被Tutor不断否定与改进中，我们通过四个阶段的网格系统将拼接方式从二维平面到三维空间推演，最终选择一个相对复杂并能满足功能需求的方案。Tilebricks不仅可以像传统的瓷砖一一切合的拼接在建筑表面，并且由于自身三维复杂的结构形体和表面纹理使得其可以尽可能大的给苔藓营造出相对惬意的生长环境。

满足三维空间拼接模式的tilebricks方案

瓷砖体Tilebrick—纹理设计

为了满足植被的最优生长，希望通过设计三种纹理：粗糙表面，传送水的纹理，阴暗的褶皱。粗糙表面易于植被的附着，能积累充足的土壤和营养;传送水的纹理能促进雨水自然从建筑顶部流通至一定区域;阴暗的褶皱能控制日照对特定区域的植被生长

从Bio-Computation到Bio-Receptive

接下来，运用bio-computation将基本设计想法'再生成’为最大程度满足苔藓生长的bio-receptive设计。说到Bio-computation，这里要介绍一下Houdini （电影特效魔术师），这款软件是创建高级视觉效果的有效工具，作为RC7的 “御用软件”，它主要是为了模拟设计生成原理，通过添加不同的限制因素使设计产生不同的计算结果，由于设计过程大部分是以视频的形式展现，提高了设计的可读性。

The Agent system & Artificial flocking

16组曲线在Agent system & Artificial flocking计算过程

Agent system & Artificial flocking

The Agent system & Artificial flocking是一个可以使简单形体根据特定限制因素复杂化的强大原创系统。接下来我会为大家揭开它神秘面纱。起初为了测试系统的可操作性，16组在GH中生成曲线被一一导入系统中进行计算。

D组曲线与H组曲线组合的计算结果

不同曲线组混合的计算结果

通过两次测试可以初步预测Agent system & Artificial flocking对不同曲线组计算的结果，接着将最初的tilebrick的结构线导入到系统中进行'再生成’计算。

tilebricks'再生成’过程演示

通过将最初tilebrick在系统中进行计算，得出的'再生成’形体是复杂多变的，可是对于细节形体的操控性很低并且对于粘土这种材料去建造出这样复杂的形体是不太可能的。所以进入到下一个阶段—精确控制。通过改变最初的计算条件，这一阶段生成出的tilebrick是最大限度的保留原有设计的形体。

第二阶段tilebrick生成结果

对朝西向的tilebrick进行伦敦当地的日照分析，得出的结果导入系统中计算，通过控制参数将受高日照的区域作为雨水传送，低日照的区域作为苔藓生长。

受日照分析因素影响的tilebrick

受日照分析影响并改变参数计算出的两种结果

其他不同的计算结果

| 实际建造 |

由于新配置的粘土的粘稠度产生了很大的变化而且tile-brick自身复杂的结构形体，导致不可以用传统的粉浆浇筑方法进行施工。通过反复试验，最终采用了将粘土刷在可以拆分的石膏模具上的新方法。这样不仅解决了本身材料和复杂结构难实现的问题，而且还满足了模具可以重复利用，提升了接下来工的作效率。

石膏模具方案

在Rhino中，首先将模型切分，然后做出模型的实体negative模具，这一部分将会是石膏模具。然后将拆分negative模具一一作出对应的反模。这部分模型将会用到CNC机器去切割。

CNC切割

进入实际施工阶段，首先用CNC切出反模相对应的模具。经处理在用木板表装起来浇筑石膏，待10分钟即可拆模。这样一共有38个石膏模块去拼成一个完整模具。然后将提前搅拌均匀的黏土刷在上面。为了避免收缩导致tilebrick破裂，两天后，将模具一一拆除，并将未干透的tilebrick放置在支撑的模具直到干燥完毕。将其放到烤箱中烧制。两天后便可出炉（详细过程请看视频）。