国 际 竹 藤 组 织

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世界竹藤大会 | 创新技术驱动竹结构建筑未来发展

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世界竹藤大会 | 创新技术驱动竹结构建筑未来发展

11月15日,2022竹建筑国际会议暨第三届生物质复合建筑材料与结构国际会议第四场分会在线召开,主题为“在现代建筑中应用数字化和其他创新技术设计生物质复合材料”。丹麦阿尔堡大学规划系副教授、哥本哈根生物材料研究中心主任哈娜·达希,英国伦敦大学学院博士生巴拉斯·拉格什,浙江大学副教授李智,杭州奥地空间设计有限公司主理人高威,西交利物浦大学助理教授米娅·泰德乔萨普特罗,昊源集团设计中心设计总监张剑,北京建筑大学讲师邬樱,巴西圣保罗大学博士生布里安娜·凯瑟琳娜·布辛格,印度尼西亚彼得拉基督教大学讲师、英国谢菲尔德大学博士生埃斯蒂·努尔迪亚等专家出席会议,并分别从数字化设计(BIM、数字孪生)、数控机床加工、自然教育主导的创新建筑设计方法等方面介绍了基于生物质建材的创新设计技术和最新成果。香港大学建筑学院副院长(特别计划)克里斯托夫·克罗拉与清华大学建筑学院教授宋晔皓共同主持本场会议。

哈娜·达希分享了其团队BioMat在生物质可循环材料研究与应用领域的最新成果与经验。其团队目标是探索未来可持续建筑创新解决方案,挖掘新的资源和技术,打造更轻盈、更高效的建筑环境。他们的设计理念是将材料视为一种设计工具,融合材料研究、建筑设计和数字建造等不同领域技术,助力建筑环境的可持续应用。竹材作为一种天然环保型材料,具有优良物理力学特性,在建筑设计领域拥有广泛应用前景,这与BioMat团队设计理念不谋而合。在2021年,该团队运用3d技术独立设计建造了一座拱形竹结构亭子,极具几何美感和空间张力。希达希望未来可与竹建筑领域专家加强合作,打造出更多兼具自然美感与环保属性的竹建筑。

△  哈娜·达希演讲  

来自伦敦大学学院(UCL)的博士生巴拉斯·拉格什代表鲁道夫·洛伦佐发表了“基于数字化圆竹数据的竹桁架结构优化分析”主题演讲。他认为竹子可减少建筑行业碳足迹,是一种理想建筑材料。尽管竹建材产品具有天然固碳作用,但在产品加工、运输,建筑施工和维护过程中的碳排放也不容忽视,需以更高效方式进行仓储、运输和施工,以降低竹建筑全生命周期温室气体排放。目前,竹材因结构设计规范限制,加之天然竹材物理力学性能离散程度较大,其并未在建筑结构中得到充分利用。UCL研究团队开发了基于数据驱动的圆竹结构数字化设计系统,包括针对圆竹构件的3D扫描系统和自动测试系统,其可基于建筑信息模型(BIM)系统在圆竹结构整个生命周期中使用这些基础数据。设计人员可基于数字设计系统对圆竹结构进行系统分析,并与传统圆竹结构模型进行对比。拉格什还介绍了可减少圆竹结构挠度、应力和刚度变化的方法,也是通过针对单根数字化圆竹构件的自动分析所建立的数据库来实现的。通过利用该数字化设计系统所得到的圆竹构件基础参数可大大提高构件利用率,从而提高结构整体性能和效率,最终减少圆竹机构建筑的整体碳排放。

△  巴拉斯·拉格什演讲

李智介绍了利用BIM系统在中国张家口市张北县所设计、制备与建造的双层竹木结构民居。该房屋结构形式为轻型竹木复合结构,主要结构构件包括轻型竹木框架剪力墙、竹木复合楼板和桁架系统。李智分别从房屋建筑材料的使用、连接件系统的设计、主要结构构件的处理、BIM信息平台上的构件加工与房屋安装等方面展示了张北竹木结构民居的设计细节与理念。研究团队针对该房屋建立了BIM模型,可有效模拟施工过程;同时,还创建了剪力墙、梁和屋顶桁架的部品部件族数据库。并根据族文件,实现了连接件系统与结构构件在工厂的预制加工与制备。此类结构由于易于制造、运输、预制和安装,在结构性能要求和经济效益之间取得了相对较好的平衡。最后,李智对竹建筑行业发展提出了两点建议:第一,希望未来越来越多的人才能参与竹结构建筑研究;第二,建筑需要因地制宜,需根据当地历史人文环境进行适宜设计,尊重建筑脚下土地,不能盲目复制。

△  李智演讲

高威分享了他在参与中国缙云县章村小学校门设计时的经验与体会。章村小学新大门的设计和建造是乡村振兴背景下学生、教师、非政府组织和设计师的合力之作。首先,设计团队通过教授学生建筑设计的基本思路以启发孩子们思考。之后,设计师结合当地条件和学生建议,选定了具有地方特色文化符号的竹子和茶叶作为建筑设计灵感,校门采用圆竹建筑形式,利用抛物线形的竹结构打造出 “茶叶” 的意象。这种新型的竹结构大门大胆地向公众传达了新的理念——大门是沟通交流的纽带,而不是生人勿进的警示。对老师和学生而言,采用竹子作为材料,不仅实现了他们的梦想,同时也彰显了他们独特的创造力及其对家乡的热爱。

△  高威演讲

米娅·泰德乔萨普特罗的演讲主题是 “为竹建筑设计提供技术支持的十年”,她梳理了14个全球竹建筑设计案例,总结了过去十年中由各种创新技术所推动的竹建筑设计案例,试图回答:技术在塑造数字化竹建筑设计中提供了哪些启示?目前,全球竹建筑设计建造项目主要应用了四大类创新技术:数字化设计、计算设计、数字化制造,以及增强现实(AR)和虚拟现实(VR)技术。这些创新技术可与传统设计和建造实践相结合,评估和实现更为复杂的设计,并能够在设计之初就允许将竹子作为一种非标准材料来使用,而不是先去标准化竹材本身。她认为竹结构建筑未来的发展方向之一是机械化,成熟的科技可使成体系的热弯工艺与机械化装配技术相结合;虚拟技术和全息影像可运用于竹结构设计与施工过程;扫描圆竹构件将其翻译成数字语言以补充基础数据库,便于使用者对其材料特性开展进一步研究。此外,她还提出可在全球竹资源丰富地区引入竹结构相关课程到本科生教学中,增强竹建筑相关知识的普及,以及培养学生对此领域的兴趣。

△  米娅·泰德乔萨普特罗演讲

张剑展现了其建筑设计作品——天人山水大地艺术园竹桥的设计与建筑过程。设计团队将原本呆板厚重的混凝土和钢结构桥体加以改造,运用圆竹来打造能与周围湿地和谐共存的景观。上部桥体形态概念源自湿地蜿蜒的溪流,两道优雅的曲线改变了桥体原本呆板的天际线,成为湿地的一道风景线。桥体长度近100米,宽度达10米,曲线的空间定位兼顾了通行需求与外观美感。桥体上部骨架采用钢结构,用以满足承载要求,并抵御当地台风;其外观则采用自然竹材所构造的顶棚与周围山水融为一体。竹顶棚与主体钢结构间设置了防水层,防水层以竹篾编织网承托,以遮挡雨水。竹篾编织网使用不规则人工编织法,以获取更好艺术效果。阳光可透过多层材料的缝隙散射到桥面,让游客有更好的光影体验,享受与自然融为一体的悠然自得。

△  张剑演讲

邬樱的演讲是基于数字孪生的古建筑木结构开裂监测多传感器融合技术研究。受自然老化、地震、风荷载等作用,开裂成为中国古建筑木结构最为常见的损伤形式,其安全状态评估成为了建筑遗产保护领域亟待解决的问题。邬樱及其团队基于BIM技术研发了一种适用于古建筑木结构开裂监测的多传感器融合数字孪生平台。该数字孪生平台包括代表木结构开裂数据的矢量分析、属性变换和标准模型底座构建。在收集木结构开裂多时空维度的数据后进行矢量分析,利用主成分分析、贝叶斯方法等识别算法将木结构开裂进行属性转换,最终利用边缘运算将监测木结构开裂的各传感器数据进行集成。基于数字孪生平台可实现古建筑木结构开裂预防性保护监测数据,基础信息数据,文物安全监管数据和数字化保护数据间的融通。

△  邬樱演讲

布里安娜·凯瑟琳娜·布辛格围绕 “应用节点参数化设计促进巴西圆竹结构的发展” 展开了演讲。巴西竹产业的发展由于其丰富的自然资源、环保生产链的完善以及新标准规范的出台迎来了全新机遇。但同时,巴西也面临着缺乏成熟施工人员以及缺乏基于本土文化的建造经验等方面的挑战。她认为在设计圆竹节点连接时,竹子的天然性能差异和尺寸差异是最主要的设计障碍,严重降低了竹建筑在施工时的效率。运用现代数字化技术、3D打印技术所设计制作的竹结构连接节点可有效解决此类问题,其可通过内表面摩擦或向竹隔膜传递力来完美连接。同时,该技术还可用作填补专业劳动力缺口的工具,创造竹建筑技术发展的新趋势。

△  布里安娜·凯瑟琳娜·布辛格演讲

埃斯蒂·努尔迪亚围绕圆竹网壳结构的设计、建造和分析进行了分享。由于所需建造材料较少,圆竹网壳结构被认为是一种高效结构体系。但由于竹子天生的物理力学性能差异,使得圆竹网壳结构的设计与建造颇具挑战。从圆竹网壳结构的设计到建造存在一定的不确定性,材料、设计和施工过程中的变化可能会严重影响最终建造结果。首先,努尔迪亚使用Grasshopper和Kangaroo两个软件对竹网壳结构进行了建模,以确定结构可达高度和潜在曲率。之后,她分别利用圆竹竿和圆竹片建造了两个足尺模型,对其进行加载并测试了变形。同时,她将数字模型倒入Abaqus进行了有限元分析。通过针对整个设计和建造过程的分析,她发现竹材的使用限制来自于网壳结构的曲率,部分构件的失效是由于杆件的屈曲和开裂所造成的。结果表明,实体圆竹网壳结构的最大曲率小于计算模型的最大曲率。同时,实体模型的变形也比数值模型的计算值高。因此,圆竹网壳结构设计时应把曲率大小作为控制变量。

△  埃斯蒂·努尔迪亚演讲

△  克里斯托夫·克罗拉主持

△  宋晔皓主持

本次BARC-ICBCS 2022国际会议共吸引来自全球80多个国家的1000多名观众注册,第四场分会在线参与人数超过200人。

△ 部分参会人员合影

会议回放视频链接

第四场分会:在现代建筑中应用数字化和其他创新技术设计生物质复合材料https://www.youtube.com/watch?v=tUSYsAhXONQ

会议背景

本次BARC-ICBCS 2022国际会议为第二届世界竹藤大会建筑主题分会。第二届世界竹藤大会于2022年11月7日至8日在北京举办,与国际竹藤组织成立25周年志庆大会同期举行,由中国国家林业和草原局与国际竹藤组织共同主办。

本次BARC-ICBCS 2022国际会议由国际竹藤组织和国际竹藤组织全球竹建筑专家组主办,由清华大学土木水利学院、清华大学建筑学院、清华大学建筑设计研究院、南京林业大学、南京林业大学生物质材料国家工程研究中心、北京林业大学园林学院、国际竹藤中心等单位协办。全球其他二十多家机构作为会议支持单位,包括阿肯顿·阿皮亚·门卡大学、亚的斯亚贝巴大学、中国建筑西南设计研究院有限公司、考文垂大学、浙江大学建筑工程学院、迪肯大学、苏黎世联邦理工学院、香港大学建筑学院、万隆理工学院、《建筑结构》杂志、《风景园林》杂志、《可持续结构》杂志、《世界竹藤通讯》杂志、南京工业大学、中国林业科学院木材工业研究所、重庆大学建筑城规学院、东南大学土木工程学院、弗吉尼亚理工大学设计学院、上海建筑科学研究院有限公司、香港建筑师学会、同济大学、匹兹堡大学、西英格兰大学、浙江大学-伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区联合学院生物质材料与碳中和联合研究中心。本次会议由洪雅竹元科技有限公司、安吉竹境竹业科技有限公司、赣州森泰竹木有限公司、杭州邦博科技有限公司、湖南桃花江竹材科技股份有限公司、江苏见竹绿建竹材科技股份有限公司等企业提供赞助。