Dancing Columns机器人建造设计课题属于304永利集团四年级本科设计课程中的“数字化城市与建筑设计”板块。课题设置遵循“寻找材料的理想形式”（Viollet-le-Duc）的建构学理念，引导学生在体验物质材料和动手搭建过程中进行设计构思。以仙台媒体中心的结构设计为蓝本，设计一套异形柱（dancing columns）构成的个性化结构系统，促进“力-形-体验”之间的交融。利用参数化设计、机器人3D打印&线切割等数字技术，实现定制化的材料加工与建造方案；四个小组分别建造1:2的结构原型。

课程背景

材料体验 + 数字建造

对材料重量与体积的感知、材料交接构造引发的同情、构件尺寸与建筑尺度对比的亲身体验是设计的重要源动力。本课程强调动手实践、在实验过程中推敲设计方案，使学生体悟建造技艺并激发其创新思维。近年来，以机器人建造为代表的数字建造方法把设计与建造重新融合起来。课程融合了材料运算与机器人建造，从多层公共建筑的实际建造问题出发，用数字建构（digital tectonics）的方法探索建筑结构、节点构造和加工方式，实践理性的建造以及个性化的材料表达。

教学内容

建筑设计 + 机器人 + 软件编程

面向可持续的个性化定制的建造模式，本课程聚焦于建筑的承重结构的构造设计，在优化力学性能与建造经济性的同时，追求个性化的结构构造与装配工艺；鼓励学生探索几何形式与建筑需求（力学、省料、美学等）之间的内在关联，进而提出新的构造方式与建造方案，并利用工业机器人等数控技术搭建1:2验证模型。

机器人建造涉及材料加工、结构力学、计算机编程、建构学等多个领域，主要学习内容包括：建筑结构原理与案例、Grasshopper参数化建模、材料特性与加工工艺、机器人技术。

学生在建筑、人体、细部等多个尺度上展开设计，在建筑设计中表现材料特性与建造逻辑。将机器人建造方法运用于个性化空间营造，发挥建筑结构在组织空间中的作用、材料表达在建筑体验中的作用，挖掘“力-形-体验”相统一的设计策略。

方向：数字化城市与建筑设计

时间：2025年9月22日-11月15日，8周

地点：国际建成环境创新实验中心

学生：夏韵钦，黄昶伟，蔡铭汉，朱东生，岳洋，程鸣语，吴文钰，李瑾，牛昫雯，刘思达，王小瑜，李想   

指导教师：华好

助教：梁洁，陈子涵，杜靖源，张远，陈崚川，段成璧，吴浩朴等

答辩评委：王逸凡，钟华颖（南京大学），朱鲁峰（上海大界机器人科技有限公司）

教学主持：建筑运算与应用研究团队

__________设计任务__________

为仙台媒体中心的结构设计为蓝本，设计一套新的个性化结构系统，并进行局部结构的原型验证。该结构系统围绕异形柱（垂直受力为主）和楼面（水平结构），追求结构逻辑与空间逻辑的相辅相成。针对特定材料及其工艺，研究柱的构造、形式、性能，并探讨柱结构对人体尺度(microcosm) 的隐喻。

利用Rhino+Grasshopper插件对结构、构造进行参数化建模；体验原材料，基于材料特性和设计理念尝试各种构造交接方式；利用工业机器人（KUKA）的自动化加工方式，探索批量定制化的制造方式（mass customization）；组装结构原型并针对各项指标进行设计深化与改良。

课程聚焦于2类材料与工艺拓展方向：1、再生陶瓷+线切割；2、改性塑料+3D打印。每个方向有两个设计小组分别完成设计与建造。

1、再生陶瓷+线切割

“高密度再生陶瓷（密度0.7,  抗压9MPa+线切割”主要通过直纹曲面（ruled surface）对块状原料进行切割从而获得定制化的砌块。探索干砌式的异形柱构造，砌块之间以干砌方式形成互锁机制。砌体结构竖向承重，砌体内部设构造柱，与楼板一起现浇混凝土。基于机器人自动化技术，研究在批量定制生产中如何使边角料最少。

量化指标：边角料比例、空隙率、平均切割长度。

关键指标：结构（没有粘结剂）稳定性，砌块形状不易破损，适合批量线切割的不规则砌块形状（及其组装方式），便于搭建。

一源筑境 Omnicube 

设计小组：李想，王小瑜，刘思达

“一源筑境Omnicube”是一种类似于约束砌体（confined masonry）的“砌筑-浇筑混凝土”混合结构。Omni意为“朝所有方向”，即砌筑结构以立方体为砌块单元，可沿着三维空间的各个方向延伸。砌体结构的设计来源于切割与重组的几何操作：把一个立方体斜切3刀（两两相互垂直）形成8个体块，可重组成一个体积更大的虚空立方体。

从抽象几何体到互锁砌块的发展过程为：

（1）在三维阵列中重新设定体块的分合与旋转，基于建筑空间形成整体倾斜的正交矩阵。每个单元为倾斜的立方体。

（2）“长方体中间挖空，形成方形筒体和更小一级的长方体”的递归操作，可形成0.6 m、0.3 m、0.15 m三种尺寸层级，不产生废料。

（3）设计了一种把挖空长方体加工成8个互锁砌块的切割法，使砌块之间上下互锁，且制造过程无边角料。线切割工具一端需伸入长方体的挖空区域实现构造细部的切割。

批量定制化切割的砌块，用干砌的方式形成承重柱（或墙）。为了设构造柱，砌体的局部竖向挖空。构造柱与上下层楼板一起现浇钢筋混凝土，形成类似于约束干砌墙的结构体系。构造逻辑形成了倾斜的柱体，斜向交错贯穿所有楼层，与楼板一起形成结构秩序并服务于开放平面（free plan）。

搭建的砌筑结构高2.2米（1:2比例）。砌块单元采用0.3 m、0.15 m 两个尺寸层级。用高密度黑色EPS塑料代替真实砌筑材料（高强发泡陶瓷），因此可采用机械臂热线切割进行快速加工。

分分合合Inter-wwwwww-lock 

设计小组：李瑾，吴文钰，牛昫雯

用线锯切割高密度发泡陶瓷（ceramic foam），可定制化地制造异形砌块。受到孔明锁与赖特编织构造（如La Miniatura）的启发，“分分合合”系统包含了相互咬合的砌块，形成可竖向承重的干砌式砌体，在建筑空间中呈现出富有韵律的砌筑逻辑。

砌体局部挖空设构造柱，与楼板一起现浇钢筋混凝土，实现类似于约束砌体（confined masonry）的混合结构。该设计利用较弱的材料交织成较稳定的三维立体结构，呈现出一种介于“刚强的细柱”与“体积大而疏松的体”之间的承重形式。

沿着长方体的一条楞切2个v字轨迹，形成w字型的基本单元。六个单元一组，在三维空间中形成对称的互锁结构。只能沿着一个方向才能把它们拆开，因此没有粘结剂的干砌方式也能构成较稳定的模块。该模块可在垂直方向上周期性重复，结合“长短单元交替”，可构成整体互锁的承重结构。

基础w型单元的截面边长为0.6m。在不受交接影响的一条楞处可挖去0.3m边长的细长条，用于制造次级尺寸的w型单元，从而减少边角料。基础、次级两类尺寸的砌筑结构相组合，形成丰富的空间模式。

本设计跨越4个相关联的尺度：

线条：切割线，φ=0.4mm，长1.4m

砌块：边长0.6m、0.3m两种尺寸

异形柱：4-7.4 m

建筑高度：36 m

2、改性塑料+3D打印

“纤维增强塑料+熔融3D打印”主要通过渐变的闭环曲线（水平面）在高度方向的层叠，生产三维异形模板（用于浇筑钢筋混凝土结构）。探索自由曲面结构的力学性能与美学之间的关联，研究3D打印路径的合理性、经济性、以及非标准构造一体成型的可能性。

量化指标：打印时间、材料用量。

关键指标：结构的稳定性，表面品质，组装的便捷度与可靠性，构造的丰富性与趣味性。

黏菌构型Physawork

设计小组：夏韵钦，黄昶伟，蔡铭汉

大自然中的集群智能（swarm intelligence）为建筑开放空间的设计提供了灵感。黏菌（physarum polycephalum）的自组织生长体现了效率与形式之间的关联。

自下而上的集群行为生成形状各异的柱状体，或高效地支撑垂直荷载、或膨胀为空间围合。这些异形柱阵列贯穿建筑的所有楼层，同时造就了结构秩序与空间秩序。

楼层高度约4-7.4米，典型的异形柱模板由几十个不大于1m的构件组成，以便于定制化大批量制造。机械臂3D打印玻纤增强PETG材料，形成众多异型中空构件，组装后成为每层楼的异形柱模板，现浇混凝土形成“柱-楼板”一体的钢筋混凝土结构。

搭建的异形柱模板原型为1:2比例，高2.2米，由17个模板构件组成。

本设计跨越4个相关联的尺度：

线条：3D打印的线条截面为6*2.5 mm（宽*高）

构件：3D打印模板，每个0.7-1 m 高

异形柱（模板内现浇混凝土）：4-7.4 m

建筑高度：36 m

万物生息Thriving columnar ecology

设计小组：朱东生、程鸣语、岳洋

毫米级的细丝，编织有机的开放建筑。

柱不再是静态的支撑，而像正在生长和呼吸的有机体，成为“通透与开放”的建筑的核心要素。结构系统充满空间张力，同时又允许开放平面（free plan）的自由布局。

在建筑尺度（宏观）上，羊毛算法生成自组织空间网络，细胞骨架算法创建表皮肌理，形成森林状的交错柱网。细柱单纯为承重，而膨胀的柱体容纳房间或垂直交通。在楼层尺度（接近人体尺度）上，宏观柱体的表面再生成叶脉般的管径，用于和楼板一起浇筑钢筋混凝土结构。

采用机械臂3D打印玻纤增强PCTG材料，制造楼层尺度的异形柱模板。搭建的原型为1:2比例，高2.2米，由15个模板构件组成。

最终建筑呈现出4个尺度层级上的几何秩序：

（1）毫米级的3D打印线条，与材料工艺息息相关

（2）手掌尺度的管径（内部包裹钢筋混凝土）体现了受力的形式

（3）人体尺度或楼层尺度的异形柱，营造出身在丛林的体验。

（4）建筑的结构系统形成一个有机整体

课程总结

304永利集团在本科生四年级的建筑设计课中，坚持开设跨学科的数控建造课题。以智能设计-材料建构的全链条为引导，以知名建筑师的成熟作品为拓展案例，让学生在体验物质材料和动手搭建过程中完成设计作品。以8周高强度训练，培养了学生的综合能力，回应了建筑学培养方案中培养具有跨学科知识的综合型创新人才的要求。
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信息来源：建筑系党支部

审核：宋亚程，周文竹