废弃树叉在建筑中的应用

对气候变化的关注使人们把注意力集中在建筑部门,特别是建筑材料的提取和加工上。混凝土和钢铁行业的二氧化碳排放量占全球的15%。相比之下,木材提供了一种天然的碳封存形式,因此有了使用木材的趋势。事实上,一些国家正在呼吁公共建筑至少部分由木材建造,大规模的木结构建筑已经出现在世界各地。

Caitlin Mueller是麻省理工学院建筑技术项目的建筑学和土木与环境工程副教授,她观察到这些趋势,认为有进一步提高可持续性的机会。由于木材工业寻求生产传统混凝土和钢铁元素的木制替代品,其重点是收获树木的直截面。不规则的部分,如结和叉,被变成小球和燃烧,或磨碎成为花园覆盖物,在几年内分解;这两种方法都会将困在木材中的碳释放到大气中。

在过去的四年里,穆勒和她的数字结构研究小组一直在开发一种“升级回收”这些废弃材料的策略,将它们用于建筑中——不是作为用于改善外观的包层或饰面,而是作为结构组件。“你能赋予一种材料的最大价值是让它在结构中发挥承重作用,”她说。但当建筑商使用原始材料时,这些结构部件由于使用大量高强度材料,是建筑中排放最密集的部分。因此,使用升级回收的材料来取代那些高碳系统在减少排放方面尤其有效。

穆勒和她的团队关注的是树叉,也就是树干或树枝一分为二,形成y形部分的地方。在建筑图纸中,有许多类似的y形节点,直线元素聚集在一起。在这种情况下,这些单元必须足够坚固,以支持临界负载。

“树叉是天然工程的结构连接,在树上像悬臂一样工作,这意味着由于它们内部的纤维结构,它们有潜力非常有效地传递力。”穆勒说。“如果你拿起一根树叉,从中间切开,你会看到一个难以置信的纤维网络,这些纤维交织在一起,在树上形成了这些通常是三维的负载转移点。我们开始用3D打印做同样的事情,但在复杂纤维的方向和几何结构方面,我们还远远没有达到自然的水平。”

她和她的团队开发了五步法。”design-to-fabrication工作流”这将树叉等自然结构与现在建筑设计中使用的数字和计算工具结合起来。虽然在栏杆和装饰功能中使用天然木材的“工艺”运动由来已久,但计算工具的使用使得在结构作用中使用木材成为可能——无需过度切割,这是昂贵的,可能会损害木材的自然几何形状和内部纹理结构。

鉴于当今建筑师对数字工具的广泛使用,穆勒认为她的方法是可行的“至少在我们工业化的材料加工系统中有潜在的可扩展性和可实现性。”此外,通过将树叉与数字设计工具相结合,这种新颖的方法也可以支持建筑师探索新形式的趋势。“在过去20年里建造的许多标志性建筑都有着意想不到的形状,”米勒说。“树枝有非常特殊的几何形状,有时会形成不规则或非标准的建筑形式,这不是由一些任意的算法,而是由材料本身驱动的。”

步骤0:找到一个来源,设定目标

在开始他们从设计到制造的过程之前,研究人员需要找到树叉的来源。穆勒在马萨诸塞州萨默维尔市的城市林业部门得到了帮助,该部门保存着2000多棵行道树的数字目录,其中包括20多种树种,并记录了关于每棵树的位置、大约树干直径和状况的信息。

在林业部门的许可下,该团队在2018年新萨默维尔高中附近的一大片树木被砍伐时在场。在现场的重型设备中,有一台削片机2022世界杯美洲区赛程表,准备把所有的废木材变成地膜。相反,工作人员乐于把废木材放进研究人员的卡车里,然后运到麻省理工学院。

在他们的项目中,麻省理工学院的团队不仅寻求对这些废料进行升级利用,而且还利用它们来创建一个被公众重视的结构。穆勒解释说:“在我居住的地方,由于一种入侵物种甲虫的破坏,城市不得不砍伐很多树木。”“人们真的很沮丧——这是可以理解的。树木是城市肌理的重要组成部分,提供阴凉和美丽。”她和她的团队希望通过“以新的功能结构的形式重新安装被砍伐的树木,将重新创造之前由砍伐的树木提供的氛围和空间体验。”

确定了他们的来源和目标后,研究人员准备展示他们的设计到制造工作流中的五个步骤,使用树叉清单来制作空间结构。

步骤1:创建一个数字材料库

第一个任务是把他们收集的树叉变成一个数字图书馆。他们首先剪掉多余的材料,生产出独立的树叉。然后,他们对每个分叉进行了3D扫描。穆勒指出,由于最近在摄影测量(用照片测量物体)和3D扫描方面取得的进展,他们可以用相对便宜的设备创建单个树叉的高分辨率数字表示,甚至可以使用典型智能手机上运行的应用程序。2022世界杯美洲区赛程表

在数字库中,每个分叉都由一个“骨架化”版本表示,显示三个直条在一个点聚在一起。分支的相对几何形状和方向是特别有趣的,因为它们决定了内部纤维的方向,从而赋予组件强度。

步骤2:找到初始设计和材料库之间的最佳匹配

就像一棵树一样,典型的建筑设计中充满了y形节点,其中三个直的元素相遇以支撑临界负载。因此,目标是将材料库中的树叉与示例体系结构设计中的节点相匹配。

首先,研究人员开发了一种“失配度量”,用于量化特定树叉的几何形状与给定设计节点的匹配程度。”我们正试图将结构中的直线型元素与树中树枝原本的位置对齐。”米勒解释道。“这为我们提供了负载转移的最佳方向,并最大限度地利用木材纤维的固有强度。”对齐越差,失配度量就越高。

我们的目标是在目标设计中的节点中获得所有树叉的最佳总体分布。因此,研究人员需要尝试不同的fork-to-node分布,并且对于每个分布,将各个fork-to-node错配错误相加,以生成一个整体的或全局的匹配分数。具有最佳匹配分数的分布将产生对总树叉存量的最有效的结构利用。

由于手动执行该过程将花费太长时间,不切实际,他们转向“匈牙利算法,1955年为解决这类问题而开发的一种技术。“这个算法的聪明之处在于,它能非常快速地解决(匹配)问题。”穆勒说。她指出,这是一个非常通用的算法。“它被用于婚姻、相亲等事情。它可以在任何时候使用,当你有两个集合,你试图找到唯一的匹配。所以,我们肯定不是算法的发明者,但我们是第一个发现它可以用于解决这个问题的人。”

研究人员进行了多次测试,以显示在他们的目录中可能的树叉分布,发现匹配分数随着材料库中可用的树叉数量的增加而提高——达到一定程度。总的来说,研究人员得出的结论是,当材料库中的分支数量大约是目标设计中节点数量的三倍时,错配得分是最低的,因此也是最好的。

步骤3:平衡设计师意图和结构性能

这个过程的下一步是融入设计师的意图或偏好。为了允许这种灵活性,每个设计包括有限的关键参数,如杆长和弯曲应变。使用这些参数,设计师可以手动更改设计的整体形状或几何形状,也可以使用自动更改或“变形”几何形状的算法。每当设计几何形状发生变化时,匈牙利算法就会重新计算叉到节点的最佳匹配。

“因为匈牙利算法非常快,所有的变形和设计更新都非常流畅,”穆勒指出。此外,对新几何结构的任何更改都要进行结构分析,检查结构的挠度、应变能和其他性能指标。有时,自动生成的设计产生的最佳匹配得分可能会远远偏离设计者的最初意图。在这种情况下,可以找到一个替代解决方案,以较低的匹配得分满意地平衡设计意图。

第四步:自动生成快速切割机码

当结构的几何形状和树叉的分布已经确定,是时候考虑实际建造结构了。为了简化组装和维护,研究人员在准备树叉时,将它们的端面重新切割,以更好地匹配相邻的直木,并切掉任何剩余的树皮,以减少腐烂和火灾的可能性。

为了指导这一过程,他们开发了一种自定义算法,可以自动计算所需的切割,使给定的树叉适合其指定的节点,并剥去树皮。其目的是去除尽可能少的材料,同时也避免复杂、耗时的加工过程。“如果我们削减的太少,我们就会削减太多的关键结构材料。但我们不想做无数次的小削减,因为这将花费很长时间。”米勒解释道。

该团队使用Autodesk波士顿技术中心建造空间的设施,那里的机器人比麻省理工学院的任何机器人都要大得多,整个过程都是自动化的。为了准备好每一个树叉,他们将它安装在一个机械臂上,在计算机生成的指令指导下,机械臂将关节推向传统的带锯的不同方向。机器人还为结构连接磨出所有的孔。“这很有帮助,因为它确保了一切都按照你期望的方式排列。”穆勒说。

步骤5:组装可用的叉和线性元素来构建结构

最后一步是组装结构。以树叉为基础的节点都是不规则的,将它们与预先切割的直木元素结合起来可能很困难。然而,它们都有标签。“所有的几何信息都嵌入到关节中,所以组装过程的技术含量非常低。”穆勒说。“这就像一套儿童玩具。你只需要按照关节上的说明把所有的部件组装起来。”

他们在麻省理工学院的校园里临时安装了最终的结构,但米勒指出,这只是他们计划最终建造的结构的一部分。“它有12个节点,是我们用自己的工艺设计和制造的,”她补充说,该团队的工作是“被大流行打断了。”随着校园活动的恢复,研究人员计划完成整个结构的设计和建造,它将包括大约40个节点,并将被安装在萨默维尔被砍伐的树木的场地上作为一个户外展馆。

此外,他们将继续他们的研究。计划包括使用更大的材料库,一些使用多分支叉,用计算机断层扫描技术取代3d扫描技术,该技术可以自动生成树叉的详细几何表示,包括其精确的纤维方向和密度。在一个平行的项目中,他们一直在探索将他们的工艺与其他材料来源相结合,其中一个案例研究的重点是使用从一座被拆除的木框架房屋中提取的材料来建造十多个测地线圆顶。

对于Mueller来说,迄今为止的工作已经为建筑设计过程提供了新的指导。有了数字工具,建筑师可以很容易地分析一个设计方案的隐含碳或未来能源使用情况。“现在我们有了一个衡量绩效的新标准:我利用可用资源的情况如何?”她说。“有了匈牙利算法,我们基本上可以实时计算指标,所以我们可以快速和创造性地将其作为设计过程的另一个输入。”

该研究由麻省理工学院建筑与规划学院通过HASS奖支持。

本文发表于《时代》杂志2021年秋季号能源期货《麻省理工学院能源倡议》杂志。

来源:https://www.mit.edu/education/

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