top of page

ICD/ITKE Research Pavilion / University of Stuttgart, Faculty of Architecture and Urban Planning

LANDSCAPE ARCHITECTURE, SMALL SCALE | STUTTGART, GERMANY

  • Interior Designers: University of Stuttgart, Faculty of Architecture and Urban Planning

  • Area: 29 m²

  • Year: 2012



Vào tháng 11 năm 2012, Viện Thiết kế Tính toán (ICD) và Viện Kết cấu Xây dựng và Thiết kế Kết cấu (ITKE) thuộc Đại học Stuttgart đã hoàn thành một công trình nghiên cứu được sản xuất hoàn toàn bằng robot từ các sợi composite carbon và thủy tinh. Đây là một dự án liên ngành, được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu kiến trúc và kỹ thuật của cả hai viện cùng với các sinh viên của khoa và hợp tác với các nhà sinh học của Đại học Tübingen, nghiên cứu sự liên quan có thể có giữa các chiến lược thiết kế bắt chước sinh học và các quy trình sản xuất robot mới. Nghiên cứu tập trung vào các nguyên tắc vật liệu và hình thái của vỏ ngoài của động vật chân khớp như một nguồn khám phá cho một mô hình xây dựng tổ hợp mới trong kiến trúc.



Trọng tâm của dự án là phát triển một quy trình sản xuất robot sáng tạo trong bối cảnh của ngành công nghiệp xây dựng dựa trên việc quấn sợi carbon và thủy tinh và các công cụ thiết kế tính toán và phương pháp mô phỏng liên quan. Một khía cạnh quan trọng của dự án là chuyển đổi hình thái sợi của mô hình sinh học sang các vật liệu composite gia cường sợi, sự bất đồng hướng của chúng được tích hợp từ đầu vào các quá trình thiết kế và mô phỏng dựa trên máy tính, do đó dẫn đến những khả năng kết cấu mới trong kiến trúc. Sự kết hợp của các phương pháp tạo hình, các mô phỏng tính toán và sản xuất robot, cụ thể cho phép phát triển một kết cấu hiệu suất cao: công trình nghiên cứu chỉ yêu cầu độ dày vỏ bốn milimét của lớp composite trong khi bắc qua tám mét.



Theo một phương pháp “từ dưới lên”, một loạt các loại phụ khác nhau của động vật không xương sống được nghiên cứu ban đầu liên quan đến sự bất đồng hướng vật liệu và hình thái chức năng của động vật chân khớp. Các nguyên tắc sinh học được quan sát đã được phân tích và trừu tượng để sau đó được chuyển đổi thành các nguyên tắc thiết kế khả thi cho các ứng dụng kiến trúc. Vỏ ngoài của tôm hùm (Homarus americanus) được phân tích chi tiết hơn về sự khác biệt vật liệu địa phương, cuối cùng phục vụ làm mô hình sinh học của dự án.



Vỏ ngoài của tôm hùm (lớp bọc) bao gồm một phần mềm, lớp bên trong, và một lớp khá cứng, lớp bên ngoài. Lớp bọc là một sản phẩm tiết ra trong đó các sợi chitin được nhúng vào một ma trận protein. Sự khác biệt cụ thể về vị trí và hướng của các sợi và các tính chất vật liệu liên quan phản ứng với các yêu cầu địa phương cụ thể. Các sợi chitin được hợp nhất vào ma trận bằng cách tạo thành các lớp đơn hướng riêng lẻ. Trong các khu vực mà việc chuyển tải tải trọng không hướng được yêu cầu, các lớp đơn lẻ này được ép chung theo một sự sắp xếp xoắn ốc (hình xoắn ốc). Cấu trúc sợi đồng hướng kết quả cho phép phân bổ tải trọng đồng nhất theo mọi hướng. Mặt khác, các khu vực chịu ảnh hưởng của các phân bố ứng suất hướng có cấu trúc lớp đơn hướng, hiển thị một bộ lắp sợi bất đồng hướng được tối ưu hóa cho việc chuyển tải tải trọng có hướng. Do sự khác biệt vật liệu địa phương này, vỏ tạo ra một kết cấu được thích nghi cao và hiệu quả. Các nguyên tắc hình thái trừu tượng của sự thích nghi hướng sợi địa phương tạo thành cơ sở cho quá trình tạo hình tính toán, thiết kế vật liệu và quá trình sản xuất của công trình nghiên cứu.



Với sự hợp tác của các nhà sinh học, hướng sợi, cách bố trí sợi và độ dày lớp liên quan và độ cứng dốc trong vỏ ngoài của tôm hùm đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Hiệu quả cao và sự biến đổi chức năng của lớp bọc là do sự kết hợp cụ thể giữa hình dạng vỏ ngoài, hướng sợi và ma trận. Những nguyên tắc này được áp dụng cho thiết kế của một kết cấu vỏ được sản xuất bằng robot dựa trên một hệ thống composite sợi trong đó các sợi thủy tinh và carbon ngậm nhựa được đặt liên tục bởi một robot, tạo ra một kết cấu phức hợp với hướng sợi tùy chỉnh.



Trong các kỹ thuật đặt sợi hiện có, ví dụ như trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ hoặc sản xuất buồm tiên tiến, các sợi thường được đặt trên một khuôn dương được sản xuất riêng biệt. Vì việc xây dựng một khuôn dương hoàn chỉnh khá không phù hợp cho ngành công nghiệp xây dựng, dự án nhằm giảm thiểu khuôn dương tối thiểu. Do đó, các sợi được đặt trên một khung thép tuyến tính nhẹ tạm thời với các điểm neo được xác định giữa đó các sợi được căng. Từ các đoạn thẳng của các sợi căng trước, các bề mặt nổi lên tạo ra hình dạng cong đôi đặc trưng của công trình nghiên cứu. Theo cách này, các bề mặt paraboloid hyperbolic kết quả từ chuỗi quấn sợi thủy tinh đầu tiên phục vụ như một khuôn nguyên bộ cho các lớp sợi carbon và thủy tinh tiếp theo với các mục đích kết cấu cụ thể và tính chất chịu tải. Nói cách khác, công trình nghiên cứu chính nó thiết lập khuôn dương như một phần của chuỗi sản xuất robot. Hơn nữa, trong quá trình sản xuất, có thể đặt các sợi sao cho hướng của chúng được căn chỉnh tối ưu với luồng lực trong da của công trình nghiên cứu. Các cảm biến quang học sợi, liên tục theo dõi các biến thiên ứng suất và biến dạng, cũng được tích hợp vào kết cấu. Sự xem xét đồng thời của hình học vỏ, cách bố trí sợi và quá trình sản xuất của dự án dẫn đến một tổng hợp mới về hình thức, vật liệu, kết cấu và hiệu suất.



Thông qua mức độ tích hợp cao này, các tính chất cơ bản của các cấu trúc sinh học đã được chuyển giao:


  • Sự không đồng nhất: sáu chuỗi quấn sợi khác nhau điều khiển sự biến đổi của việc lớp sợi và hướng sợi của các lớp riêng lẻ tại mỗi điểm của vỏ. Chúng được thiết kế để giảm thiểu tiêu thụ vật liệu trong khi tối đa hóa độ cứng của kết cấu dẫn đến hiệu quả vật liệu đáng kể và một kết cấu rất nhẹ.

  • Thứ bậc: các sợi thủy tinh chủ yếu được sử dụng như một yếu tố phân vùng không gian và phục vụ như khuôn cho các lớp tiếp theo, trong khi các sợi carbon cứng hơn đóng góp chủ yếu cho việc chuyển tải tải trọng và độ cứng toàn cục của hệ thống.

  • Tích hợp chức năng: ngoài các sợi carbon kết cấu cho việc chuyển tải tải trọng và các sợi thủy tinh cho sự diễn giải không gian, các sợi chức năng cho chiếu sáng và giám sát kết cấu có thể được tích hợp vào hệ thống.


Điều kiện tiên quyết cho việc thiết kế, phát triển và thực hiện dự án là một chuỗi thông tin kỹ thuật số kín liên kết mô hình dự án, mô phỏng phần tử hữu hạn, thử nghiệm vật liệu và điều khiển robot. Tìm kiếm hình dạng, thiết kế vật liệu và kết cấu được tích hợp trực tiếp trong quá trình thiết kế, qua đó sự tương tác phức tạp của hình dạng, vật liệu, kết cấu và công nghệ chế tạo có thể được sử dụng như một khía cạnh nguyên bộ của phương pháp thiết kế bắt chước sinh học. Sự ghép nối trực tiếp của hình học và mô phỏng phần tử hữu hạn vào các mô hình tính toán cho phép tạo ra và phân tích so sánh nhiều biến thể. Song song, các tính chất cơ học của các vật liệu composite sợi được xác định bằng thử nghiệm vật liệu được bao gồm trong quá trình tạo hình và tối ưu hóa vật liệu. Việc tối ưu hóa sự sắp xếp sợi và lớp thông qua một phương pháp dựa trên độ dốc, cho phép phát triển một kết cấu hiệu quả cao với việc sử dụng vật liệu tối thiểu.



Việc chế tạo robot của công trình nghiên cứu được thực hiện tại chỗ trong một môi trường sản xuất chống thời tiết được xây dựng riêng biệt bởi một robot 6 trục kết hợp với một trục bên ngoài thứ bảy. Đặt trên một bệ cao 2m và đạt một phạm vi và chiều cao làm việc tổng thể là 4m, robot đặt các sợi lên khung thép tạm thời, được kích hoạt theo một chuyển động tròn bởi bàn xoay được điều khiển bằng robot. Là một phần của quá trình chế tạo, các sợi được bão hòa với nhựa trong khi chạy qua một bể nhựa trực tiếp trước khi được đặt bằng robot. Cài đặt cụ thể này làm cho nó có thể đạt được một kết cấu có đường kính khoảng 8,0m và chiều cao 3,5m bằng cách liên tục quấn hơn 60 km sợi roving. Định nghĩa tham số của các đường chuyển động quấn liên quan đến mô hình hình học kỹ thuật số, kế hoạch chuyển động robot bao gồm ghép nối toán học với trục bên ngoài, cũng như việc tạo mã điều khiển robot chính nó có thể được thực hiện trong một môi trường thiết kế và sản xuất tích hợp được phát triển tùy chỉnh. Sau khi hoàn thành quá trình quấn sợi bằng robot và quá trình ủ sau đó của vật liệu composite sợi-nhựa, khung thép tạm thời có thể được tháo rời và loại bỏ. Vỏ còn lại, rất mỏng chỉ có độ dày 4mm tạo thành một kết cấu được chế tạo tự động, nhưng khác biệt địa phương.


Sự tích hợp đồng thời của các nguyên tắc bắt chước sinh học của lớp bọc của tôm hùm và logic của quá trình quấn sợi carbon và thủy tinh mới được phát triển trong quá trình thiết kế tính toán, cho phép một mức độ hiệu suất kết cấu cao và những cơ hội kết cấu mới cho kiến trúc. Mặc dù kích thước và nhịp của nó khá lớn, da bán trong suốt của công trình nghiên cứu nặng ít hơn 320kg và tiết lộ logic kết cấu của hệ thống thông qua sự sắp xếp không gian của các sợi carbon và thủy tinh. Sự tổng hợp của các chế độ mới của thiết kế vật liệu và tính toán, mô phỏng kỹ thuật số và chế tạo robot cho phép cả việc khám phá một bộ sưu tập mới của các khả năng kiến trúc và phát triển các kết cấu cực kỳ nhẹ và hiệu quả về vật liệu.




Opmerkingen


bottom of page