仿生木质展亭 BUGA | 数字化创新设计之典范

BUGA 木质展亭向我们展示了非线性数字化下的木结构。其片段式的木质外壳的设计和建造基于海胆骨架的生物学原理，由斯图加特大学（University of Stuttgart）的计算机设计与建筑研究所（Institute for Computational Design and Construction，ICD）和建筑结构与结构设计研究所（Institute for Building Structures and Structural Design，ITKE）共同研发，前后共耗时将近 10 年。

从 Floßhafen 看展亭南侧外观远景

©ICD/ITKE University of Stuttgart

作为该项目的一部分，设计者开发了一个自动制造平台，用于木质展馆的 376 个定制的空心木片的自动装配和铣削。这种制造工艺能够确保所有的构件都能够以亚毫米的精度组合在一起，就像是一个大型的三维拼图。

这个令人惊叹的木质屋顶的跨度高达 30 米，横跨了 BUGA 的一个主要活动和音乐会场空间，不仅最大限度地减少了材料使用量，还创造出一个独特的建筑空间。

从 Floßhafen 看展亭南侧外观远景，展亭建立在仿生学原理的基础上

©ICD/ITKE University of Stuttgart

从 Karlssee 看展亭西侧外观，由 376 个定制的空心木片的自动装配和铣削而成

©ICD/ITKE University of Stuttgart

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BUGA 木质展亭：一种新颖的结构和建筑空间

预制木质外壳的装配过程由两组工匠在 10 个工作日内完成，这个过程通常不需要大量的脚手架或是模架样板。在通过可拆卸螺栓连接完所有的构件之后，再在这个建筑结构上铺设一层 EPDM 箔片作为防水层。未经处理的落叶松木材面板则被作为展亭的外部饰面。所有的建筑元素和构件都是可拆卸且重复使用的。

从 BUGA 夏季岛屿看展亭西侧外观，采用未经处理的落叶松木材面板作为展亭的外部饰面

©ICD/ITKE University of Stuttgart

从 BUGA 夏季岛屿看展亭东南侧外观

©ICD/ITKE University of Stuttgart

从 BUGA 夏季岛屿看展亭南侧外观

©ICD/ITKE University of Stuttgart

该展亭的承重木质壳体实现了 30 米的无柱跨度，但其自重仅有 38kg/m²。与 LAGA 展厅相比，本项目在跨度增加了三倍、尺寸增加了五倍的情况下减轻了结构自重。

从传统的木工到高科技的自动制造方法，这个由大师级别的工艺、数字化创新设计和多学科科学研究领域共同打造而成的 BUGA 木质展亭向人们展示了木结构建筑在高效性、经济性、生态型和表现性等方面的可能性。

展厅西南侧外观，承重木质壳体实现了 30 米的无柱跨度

©ICD/ITKE University of Stuttgart

展厅南侧外观

©ICD/ITKE University of Stuttgart

BUGA 木质展亭位于 BUGA 夏季岛屿波浪式景观带中央的十字路口处，将于 2019 年 4 月 17 日在巴登-- 符腾堡州（State of Baden-Wuerttemberg）的州长的见证下正式对外开放。三个动态的拱门在主要的人流方向形成引人入胜的开口，引导着游客进入展亭的内部空间。

这个木质外壳创造出一个平滑弯曲的内部空间，具有非常好的声学效果，同时营造出独特的建筑氛围，人们可以在此举办音乐会和各种公共活动。夜间的时候尤其如此，当壳体内部开口中嵌入的数千盏 LED 灯被点亮的时候，这个展亭便被笼罩在一种微妙、温暖且温馨的光环境中。

此外，对数字化的木建筑系统及其结构的研究将在斯图加特大学新建的“建筑的一体化计算设计和施工”的精英集群片区内进一步展开。

展厅西南侧外观，三个动态的拱门在主要的人流方向形成引人入胜的开口

©ICD/ITKE University of Stuttgart

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仿生的轻质结构：片段式的木质外壳

BUGA 木质展馆位于德国西南部的海尔布隆（Heilbronn），位于 2019 年联邦园林展（Bundesgartenschau）场地的中央，以其独特的建筑外形吸引着游客的目光。展馆的设计基于海胆骨架的形态学原理。

继完成了位于 Schwaebisch Gmuend 的前导性项目 LAGA 展厅后，该项目团队希望能够在本项目中将仿生片段式木质外壳的建筑节点和结构性能提高到一个新的水平层面上：通过使用与 LAGA 展厅项目中每平方米相同数量的木材，是否有可能建造一个跨度是 LAGA 展厅的三倍的外壳？

同时，这种结构是否可以完全重复使用，从而在不损害其性能的前提下，在 BUGA 活动之后将其放置在不同的基地上？

展厅东北侧外观，设计基于海胆骨架的形态学原理

为了实现这一目标，展亭建立在仿生学原理的基础上，通过使用“较少的材料”，在整体外壳和各个独立木片结构的层面上，来创造“较多的形式”。

为了最大限度地减少材料消耗量和建筑结构的自重，每个木片均由两块薄板组成，这些薄板在建筑结构的顶部和底部各铺设了一个圈梁，形成了一个多边形形状的大型空心木盒结构。

展亭的底部有一个大型的开口，构成了一个独特的建筑特征，同时能够让人们看到在组装过程中被隐藏起来的连接节点。轻质的建筑元素通过指形接头连接起来，同时遵循海胆骨架边缘结构的形态学原理。在组装的过程中，这个壳体结构通过其富有表现力的双曲面几何形状，成为了一个起着形态作用的结构体。

展厅北侧外观，展亭建立在仿生学原理的基础上©ICD/ITKE University of Stuttgart

综合性的（合作）设计：反馈信息驱动的设计、工程建造和制造开发

全新的建筑方式需要全新的设计和制造方式。BUGA 木质展亭是在合作设计（Co-Design）的范式下进行概念构思的，通过跨学科团队持续性计算的反馈信息，来探索设计、工程建造和制造开发的创新性的可能性。

在这个项目中，合作设计的项目团队根据建筑设计的意图和结构的要求生成了展亭各个木壳元素的形状，同时，所有自动制造方面的专业人士都直接参与设计和沟通讨论过程。

展亭的各方面设计同时进行，同时实时参考自动制造装置系统的设计反馈信息，值得一提的是，这个自动制造装置系统是为本项目量身定做的。

木片单体结构体系爆炸图

展亭外壳细节，其底部有一个大型的开口

©ICD/ITKE University of Stuttgart

展亭外壳拱细节，采用片段式的木质外壳

©ICD/ITKE University of Stuttgart

高度整合的设计流程可以处理 376 个各不相同的木片的设计和制造过程以及 17,000 个不尽相同的指形接头，以响应多方面的设计标准，从整体结构的大规模尺度到亚毫米精度的细节都可以照顾周全。

在不损失精度的前提下，这种多尺度的设计方法能够同时解决建筑和结构两方面的问题。尽管该项目具有首创性，尽管从接到项目委托到最终的联邦园林展开幕仅有 13 个月的时间，本项目的综合计算过程仍然极为精细，考虑到了所有微小的细节和建筑元素。

交互式设计模型，木板不同纹理方向分析

©ICD/ITKE University of Stuttgart

展亭内部的灵活性活动空间

©ICD/ITKE University of Stuttgart

展亭内部细节

©I

CD/ITKE University of Stuttgart

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自动预制：将自动装配与高精度加工相结合。与项目团队在 LAGA 展厅中使用的实木板相比，本项目所采用的中空木质结构显著地减轻了建筑结构的自重，减少了耗材量，但与此同时，建筑部件的数量增加了八倍，直接导致了更为复杂的制造过程。

因此，在本项目中，需要将争取更高资源效率的目标与壳体构件的自动化生产制造联合起来。为此，斯图加特大学建筑结构与结构设计研究所和 BEC 股份有限公司合作开发了一种新型可移动的 14 轴木材自动制造平台，生产制造过程则在其工业合作伙伴 MuellerBlaustein Holzbauwerke 股份有限公司内进行。

该平台包括两个高负荷的工业机械系统，这两个机械系统被安装在 20 英尺高的标准集装箱底座上。工业机械系统的灵活性使得展亭的所有预制过程都能够聚集在一个紧凑的制造单元中完成。

施工过程，放置顶板，木片单体采用中空的形式

©ICD/ITKE University of Stuttgart

构件预制装配过程

©ICD/ITKE University of Stuttgart

在生产过程中，每个定制的木质壳体构件都是机械组装的。这就需要预先设置好木板和梁、这二者之间的榉木钉临时固定节点，以及梁板之间结构胶接处的受控性应用程序。

在第二步中，复杂的指形接头和开口被加工成 300 微米精度的区段。从梁板的组装，到多工具加工和感官过程，再到图像的质量控制，一切都在完全自动化的工作流程中进行，这个工作流程由 200 万个自定义的机械代码进行控制，而这些代码则是从计算设计框架中直接导出的。

平均而言，每个木片的装配时间为 8 分钟，高精度的铣削过程则需要额外的 20-40 分钟。

实地装配过程

©ICD/ITKE University of Stuttgart

展厅夜景

©ROLAND HALBE

展厅内部夜景

©ROLAND HALBE

项目图纸

展亭俯视图

©ICD/ITKE University of Stuttgart

剖面图

©ICD/ITKE University of Stuttgart

木结构详图

Project Partners:ICD – Institute for Computational Design and Construction, University of Stuttgart: Prof. Achim Menges, Martin Alvarez, Monika Göbel, Abel Groenewolt, Oliver David Krieg, Ondrej Kyjanek, Hans Jakob Wagner

ITKE – Institute of Building Structures and Structural Design, University of Stuttgart: Prof. Jan Knippers, Lotte Aldinger, Simon Bechert, Daniel Sonntag

Müllerblaustein Bauwerke GmbH, Blaustein: Reinhold Müller, Daniel Müller, Bernd Schmid

BEC GmbH, Reutlingen: Matthias Buck, Zied Bhiri

Bundesgartenschau Heilbronn 2019 GmbH: Hanspeter Faas, Oliver Toellner

Project Building Permit Process:Landesstelle für Bautechnik: Dr. Stefan Brendler und Dipl.-Ing. Willy Weidner

Proof Engineer: Prof. Dr.-Ing. Hugo Rieger

MPA Stuttgart: Dr. Simon Aicher

Project Support:State of Baden-Wuerttemberg, University of Stuttgart, EFRE European Union, GETTYLAB, DFG German Research Foundation, Carlisle Construction Materials GmbH, Puren GmbH, Hera Gmbh co.KG, Beck Fastener Group, J. Schmalz GmbH, Niemes Dosiertechnik GmbH & Co. KG, Jowat Adhesives SE, Raithle Werkzeugtechnik, Leuze electronic GmbH & Co. KG, Metsä Wood Deutschland GmbH

Project Data

Construction System:Structural Shell: robotically fabricated hollow, polygonal wood case segments of spruce laminated veneer lumber with UV-protection coating

Cladding: EPDM-water proofing, 3-Axis CNC-cut natural larch 3-ply wood plates

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