面向未来更加可持续的智能建造模式，本课程聚焦建筑的承重外围护结构的节点构造设计、物理性能提升、个性化砌块的制造工艺；鼓励学生探索抽象几何与建筑需求（力学、保温、省料等）之间的逻辑关联，进而提出新的构造形式与数字建造方案，并利用工业机器人搭建1:2验证模型。三组共10名学生利用机器人线切割工艺把大型轻质发泡块材切割成异型砌块，结合个性化的联结方式，实现稳定的干砌（dry masonry）外围护结构，并探索在批量定制生产（mass customization）中如何使边角料最少。
学生：何靖娴, 李绍楚，董文青，叶凡，吴旻昊，何子俊，林毅城，崔程弼，王志腾，王子骁
指导教师：华好
答辩评委：
丁广明，东南大学建筑设计研究院有限公司，风景园林院院长
李鸿渐，东南大学建筑设计研究院有限公司，建筑师
李飚，，建筑运算与应用研究所所长
李海清，，教授
孔哲，，副教授
助教：张远，洪方东，钱叶柯
课程时间：2023年秋学期9-16周
设计背景：承重保温的外围护结构
奥地利2226办公楼诠释了Baumschlager Eberle Architekten事务所的极简主义生态理念，充分利用阳光、风等自然条件以及室内的人与设备产生的“废热”来调控室内热环境，在不使用空调暖气的情况下使室温保持在22-26度范围内。结构由风车状核心筒与外墙共同承重，提供了灵活的室内空间布局。外围护结构为双层砌筑结构，具有优秀的保温与承重性能。
2226办公楼的外围护结构兼具承重与保温性能
设计任务为2226办公楼的外围护结构设计一种新的构造形式与建造工艺，个性化的砌块由线切割工艺制造。墙体每隔2-4米设现浇混凝土构造柱，与圈梁、混凝土楼板等一起构成稳定的建筑结构。墙厚小于0.65m。原材料（大型轻质发泡块材）尺寸为1.2*1.2*2.4m。制造砌体结构的局部1:2模型，砌块之间无粘结剂。用机器人批量热线切割EPS塑料形成模型的砌块，用木材代表混凝土部件（楼板、圈梁、构造柱）。
量化指标：边角料比例、空隙率、平均切割长度
关键指标1.干砌结构的稳定性：无粘结剂的情况下垂直受力性能良好，震动不易坍塌。2.砌块形状不易破损：局部厚度不宜小于50mm，避免局部易断形状或深槽。3.砌块批量化生产：减少边角料、简化机器人切割运行轨迹。3.多孔保温性：形成很多互不贯通的小空腔。4.整合构造细部：为构造柱、圈梁、楼板预留空间，容纳窗户。5.搭建的便捷性：容易定位、无需额外支撑。
方案1: G-reen brick
作者：崔程弼，王志腾，王子骁
为了增加墙体的空隙率并提高原材料的利用率，本设计实践了“一分四”的构建方式，即采用螺旋线轨迹把每块方形原材料切分成4个G-型砌块，形成的承重外围护结构兼具轻质省材与保温隔热的优势。
G-型砌块的壁厚（对应于螺旋线转折的次数）直接影响空隙率与砌块强度。随着转折次数的增加，砌块空隙率提高，但受力强度有所降低。本设计选用了折中的7次转折的砌块原型。砌块的局部加厚，形成与相邻砌块契合的卡槽，便于安装定位，也能增加干砌式墙体的整体强度。处于外侧的一面具有较大的壁厚，用来形成自由变化的立面肌理。
定制化的横板增强了砌块之间的垂直与水平连接。一长一短的砌块组合（立面上呈L形）与横板共同构成了一个弱互锁体系，有利于干砌式结构的稳定性。部分砌块内部留出用于浇筑构造柱的空间。另一部分砌块水平切割出凹槽，与横板一同组成圈梁模板。转角处为正方形截面的特殊砌块，适应两个方向墙面的厚度。
利用砌块外侧的几何自由度，在整个建筑立面上形成流动式的正弦曲线图案。采用参数化的建模方式对建筑的所有砌块进行批量化建模，并输出机器人线切割路径，实现批量化的定制生产。
方案2: Abeille grid
作者：吴旻昊，何子俊，林毅城
受到十七世纪末Abeille平拱的启发，本项目研究了互锁砌块的几何特征与拓扑互锁原理。从彼此互锁、隔断空间、空腔保温3项要求出发，团队发现正多边形的各种变体能难满足外围护结构的需求，进而提出了一种双层互锁结构，内外层之间引入了联系构件，以加强稳定性并分割空腔。为了简化砌块种类与制造复杂度，合并了内部联系构件和表面互锁砌块，最终形成一种新颖的斜三向正交结构。
该结构原型可看做对斜正交立方网格进行两次平行切割，切割面形成墙体的内外表面，两个切割面之间的立方体网格成为墙内部结构。斜正交网格边长比为1:√2:√2时，正好能实现墙体90度转角。Abeille grid结构的优势包括：网架状的结构具有较好的稳定性；所有砌块的各个部分均参与结构作用；整体空隙率较高；砌块尺寸较大，便于制造和搭接。
墙体结构由3类砌块组成。内部联系砌块竖直居中，内外侧墙体砌块嵌入其中，形成基本结构单元。3单元相连可形成更整体的砌块，加快搭建效率。兼顾美学与结构合理性，内侧呈竖直分缝便于装修，外侧呈斜向菱形。内墙砌块又细分为2连与3连两种，互相骑缝，适应不同长度的墙体。
对3类砌块及其子类型（共21种）进行参数化建模，并密排在1.2*1.2*2.4m原材料方块中，以便于批量化线切割并使剩余的边角料最少。使用6轴工业机器人及其变位机实现各种不规则砌块的自动化制造。
方案3: L-Fabric
作者：何靖娴，李绍楚，董文青，叶凡
本设计从墙体空隙率、卡接互锁、高效切割三个方面对L型砌块进行了深入研究，逐步推导出L-Fabric外围护结构原型，并编制了批量化定制生产L型砌块的机器人程序，构成了从构造设计到生产装配的完整数字建造流程。
设计团队首先尝试了多方块构成的个性化砌块及其组合方式，但发现这类砌体结构很难获得大于50%的空隙率。因此改用“面”的基本手法进行构造探索，围绕L型开发了多种砌块变体，最终聚焦于连续折板原型（多个L型相连），上下错层设置折板，用浅凹槽实现前后左右方向的咬合。
在墙厚度方向增加折板数量，形成空隙，也加强了整体结构稳定性。利用多层穿插的几何特征，形成转角处构造。为了造就多个互不贯通的内部空腔，增设了水平隔板构件，隔断既有的竖向贯通空腔。
机器人批量线切割L型砌块分为两道工序。首先把L型长条（长1.2米）轮廓密排在1.2*1.2*2.4m原材料方块中，尽量减少边角料。然后把得到的L型长条重新排列成矩形正交结构，机器人再进行线切割，把L型长条切分成多个L型砌块同时造就了每个L型砌块上的槽口。除了基本的L型砌块，用来围合构造柱的砌块、圈梁包裹构件也采用了类似的工序。墙体外侧的几何形状可以定制而不影响连接构造，为立面装饰提供了可能。
本课程的机器人建造（robotic fabrication）聚焦于性能导向的线切割砌筑结构，力求融合设计与建造，研究干砌墙体构造的形式与功能，探索材料行为与结构性能的关系。除了传授必要的技术知识（参数化建模、机器人控制与编程），本课程提倡“实践检验设计”，即学生通过实物搭建来判断结构设计是否合理、通过运行机器人来检验制造工艺是否高效省材。
信息来源：教师综合一党支部 | 建筑运算与应用研究所
