Institute of Architectural Algorithms & Applications 建筑运算与应用研究所 School of Architecture, Southeast University, Nanjing

Upsilon – Robotic Timber Construction

The Upsilon Pavilion presented the robotic technology of Southeast University at the 7th China International Robot Show (CIROS 2018), 4-7 July, 2018. The 5.8×5.8×3.7m Pavilion consists of 145 timber bars fabricated by a robotic milling system and 87 metal connectors cut by a laser cutter. Each connector joins three bars. The structure uses 0.56 cubic meter (243kg) pine dimensional lumber (section 68×95mm).

The in situ assembly took six hours and the disassembly took two hours. The truss-like structure is optimized to approximate a compression-only surface. A high payload KUKA robot with an ATC spindle were employed to create the mortise-tenon tectonics from the dimensional lumber. Based on the programming language Java, we developed a computer program to generate the truss structure, optimize the shape, articulate the details, and plan the toolpath.

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中国国际机器人展览会(CIROS)是我国首个机器人全产业链国家级展览平台,位居全球四大机器人展之一。东南大学建筑学院将在展会上全面展示最新的机器人离线编程、木材加工自动化、构筑物设计与优化这三项技术。展示内容包括创意机器人木构、数字景观、3D打印工艺品、数控编程服务四部分。其中Upsilon木制展亭代表了传统木工的一次技术变革,集中展现了个性化、定制化建筑(构筑物)的数字化设计与建造方法。

时间:2018年7月4日-7日
地点:国家会展中心(上海虹桥)
主创:东南大学建筑学院·建筑运算与应用研究所

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Upsilon木构亭作为国际机器人展览会(CIROS 2018)东南大学展亭,全面展示了数字化定制设计、机器人智能制造、绿色装配式木构建筑的技术实现和应用前景。 Upsilon所采用的运算化设计、机器人离线编程、木材加工自动化、结构优化也是本次东南大学参展所要展示的核心技术。

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1.木构建筑的个性化定制
木材的天然材质具有很强的亲和力,是100%可再生的建筑材料,在我国古代建筑中被广泛采用。Upsilon木构展亭采用便捷的装配式建造方式,诠释了可定制化设计的现代绿色木构建筑,既保存了木材的文化特质,又展现了个性化的自由造型。

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本次参展的东大展亭主要由铝型材、天然木材、人造板材、电气设施、组合家具等构成。整个展厅平面为6*6米的方形,三面开放,一面放置展品和显示器。木结构从地面上一个直径0.6m的圆形范围内升起,如伞状覆盖整个展亭范围。伞状木构由145根各不相同的木梁构成,形成一个棱角分明的曲面。木构本身是一个自成系统的建筑结构(自重243公斤),又扮演了装饰性柱子与吊顶的角色,成为整个展厅的视觉中心。

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木结构的组装只需6小时,拆卸只需2小时,过程中无污染、无材料耗费,整个展亭还可以多次重复使用。工业时代的装配式建筑基于大量标准构件,但工业4.0时代的产品中的每个构件都可以是独一无二的,在高效的前提下为个性化定制提供了最大可能性。

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2.木构件的智能化制造
中国传统木构建筑技艺精湛,举世无双,自春秋战国时期的《考工记》起就对木工有详细的记载。现代木工机械和金属件的使用简化了木构件的构造设计与加工工艺。本次设计中,我们借鉴传统木构榫卯构造原理,设计了一种简洁的节点:以平面不锈钢片为榫,木梁端头开缺口为卯,一个金属片连接三根木梁成为基本构造单元。在Upsilon展亭中每个木构件的长度不相同,每个构件上的切口也是非垂直、不规则的,手工或半自动化的加工方式难以实现。为此我们利用库卡(KUKA)六轴机器人、HSD自动换刀电主轴构成的加工系统对木材进行切割、铣、钻孔等加工,高效而精确了实现了非标准木构件的制造。

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建筑运算与应用研究所开发了javakuka开源代码库对机器人的运动路径进行编程(tool path planning),在自主开放的Java程序中定制机器人的完整加工流程。我们在行业内率先实现了系统化地为规格不同的每一个零件输出特定的加工文件,实践了“个性化零件驱动”(component-driven)的制造模式。

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原材料采用了质地较软的俄罗斯樟子松(截面68*95mm,长4m,密度约450公斤每立方)共0.6立方米,加工后的木构件经过真空高压浸泡阻燃液处理,达到B1防火等级。

3.结构分析与优化
Upsilon木构具有良好的结构性能。在设计阶段,计算机程序系统化地调节整体形状使木梁连接处的弯矩与剪力趋于零(Compression-only Structure)。另一方面木梁的厚度使节点处可以承受一定的弯矩,预防外力干扰下的屈曲(Buckling)。在木梁与金属件相连接的节点中,木梁通过其断面与其他木梁断面传递压力,金属件与螺栓只起到防止脱落的作用。这种构筑设计与整个木构展亭主要承受压力的结构属性相一致。

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我们革新了杆件类结构(Truss-like)的有限元分析方法(FEM),能够在不计算节点位移的情况下直接计算每个杆件中的轴向力,大幅度简化了力学分析的线性代数模型。新的力学模型同时用于对展亭进行形状优化(Shape Optimization),实践了“力生形”的原理。受力分析与形状优化过程都在研究所自主开发的Java程序中完成。

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感谢本次出展的合作单位:
南京耀阳科技有限公司
南京清晓科技有限公司
苏州萃智新技术开发有限公司
上海欣志机器人系统有限公司

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