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如何制作一个动态表皮系统

LAC丨ArchStudio LAC丨ArchStudio

作者:叁碗
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编者:这次的帖子要分享的是如何制作一个动态的交互表皮系统,从认识动态表皮、整体构思、运动系统和感应系统四个方面来展开。这个小作业是一门叫做Digital Media and Methods选修课的final assignment,要求完成一个与外界变量(声、光、等等)交互的表皮设计并做出真实可动的实体模型。希望这个制作过程记录可以帮助到对交互设计感兴趣的同学。

如何制作一个动态表皮系统

Kinetic Facades

A

认识动态表皮

Montreal Expo Dome_ Buckminster Fuller (1967)

Al Bahar Towers_ Aedas (2012)

Kiefer Technic Showroom_ Ernst Giselbrecht + Partner ZT GmbH (2007)

Rmit Design Hub_ Sean Godsell Architects (2012)

在开始设计之前我们先google了动态表皮,阅读了非常多的案例。从Fuller的世博会美国馆(1967)到Aedas的阿布扎比投资委员会总部(2012),它们以建筑为载体,寻求对外部变量的即时回应。动态表皮,或者动态建筑,模拟了生物应对自然时改变姿态维持动态平衡的方式,或通过折叠、位移或通过扩张、收缩,以弹性多变的单元重组方式挑战传统的固定结构系统。

动态建筑的议题在数字时代被视为未来建筑的主要发展方向之一,它的交互对象可以是光线、声音、温度、压力、甚至人流,任何外部的变量都可以成为这种特定空间语法在不同时态下的变形逻辑。

Database of Kinetic Facades 

http://noizear.com/database-of-adaptive-structures/

这里提供一个Masubuchi整理的动态建筑空间运动方式的数据库供大家参考,里面包含了很多有价值的先例。认识和选取表皮单元的运动方式是设计动态表皮的第一步。

B

建筑尺度的整体构思

Thematic Pavilion EXPO_soma (2012)

我们的动态系统思路来源于soma的韩国丽水世博会主题馆。这是一个根据外部温度和光线状态改变开放程度的表皮,它在使能源损耗最小化的同时,也为立面提供了多变的鱼鳞状视觉效果。这种可开合的表皮可以通过扭转单体的边或移动单体的顶点来实现。此外由弹性材料构成的单体也是这种柔和变化过程的基础。于是,我们以扭转手法和弹性材料作为切入点开始了尝试。

同一种变化的不同整体效果

Kent Mundle,Yin Ruowei,Huang Shidan,Zhang Jie

之后我们开始从建筑单体尺度考虑这个动态系统要回应的外部变量是什么、整体空间水平发展还是垂直发展。

光线和人流是两种可能的外部变量,前者会产生随亮度变化的遮光幕墙而后者会产生随人流变化的建筑入口。此外,还需要为动态单元设想一种悬挂系统,使它能够与建筑物的其他可能的结构结合。

C

运动系统

最终的提案中,我们选择发展横向的大空间,动态的单元面板将成为幕墙,起到调整室内亮度的作用。

完成了大致的整体构思之后,我们开始考虑单体的运动方式。首先我们预设一个方形的单体,它的两个竖向边是可以发生弯曲的弹性杆,而面板是弹性织物。在这个单体中,我们尝试移动最少的角点同时达到最大的变化效果。所以,当只有一个角点发生位移的时候,单体可以有两种运动状态。一种是角点向外运动,单体产生开口由上到下越来越大的开口;另一种是角点向上移动,单体产生由两边到中间越来越大的开口。

两种运动方式

Kent Mundle,Yin Ruowei,Huang Shidan,Zhang Jie

之后我们以第一种运动方式作为最终的发展方向,取三个面板来做最终的实体模型,开始设计传动系统。

首先我们在电脑里建为整个实体模型做了一个框架,用于容纳传动系统以及悬挂面板,然后将由一副齿条齿轮(通过横向的连杆,一副齿轮齿条可以控制三个单体)组成的传动系统水平放置在框架底部。

关于齿轮齿条的尺寸,由于我们购买的马达可以在0-180度之间往复转动,所以每个面板角点向外运动的最大距离的值就是我们要制作的齿轮的半周长。

传动系统

Kent Mundle,Yin Ruowei,Huang Shidan,Zhang Jie

把所有的构件用激光切出来,再把马达旋转臂和齿轮连在一起,一个马达-齿轮-齿条-角点传动系统就完成了。马达带动齿轮进行0-180度的往复旋转,通过齿条拉动由连杆连接的三根推拉杆,推拉杆上固定的面板角点就会进行内-外-内的运动,使弹性布料构成的面板发生拉伸,产生渐变的开口。

框架和齿轮齿条

Kent Mundle,Yin Ruowei,Huang Shidan,Zhang Jie

D

感应系统

完成传动系统之后,就只需要用感应器将环境变量输入到这个系统中,让它根据感应器的数值动起来。这个时候要引入一种连接数据和现实的媒介的软硬体:Arduino。它其实是一块电脑板,通过运行特定的编码,控制接入的电子元件(感应器、制动器等等)读取和输出真实世界中的信息。

Arduino如何连接数据和现实

https://jianyouli.wordpress.com/2014/07/27/使用-grasshopper-firefly-來操作arduino-教學-1-安裝及啟動/

所以我们要做的就是用Arduino板把光敏感应器、马达和电脑连接在一起,然后用编码将感应器的数值进行提取、处理,最终输入到制动器中,使单体运动状态与外界变量交互,并且变得可控。

连接Arduino板、电子元件和电脑

Kent Mundle,Yin Ruowei,Huang Shidan,Zhang Jie

首先我们在电脑编码中定义一个新马达myservo,并将板子上接入的9号端口的电子元件和myservo进行关联。然后接着定义出传感器sensor和马达旋转角angle并赋值为零,并启动串口监视器。

用编码定义电子元件

Kent Mundle,Yin Ruowei,Huang Shidan,Zhang Jie

用编码命令串口监视器显示sensor的读数,就可以读取光敏传感器内的读数,从而将环境亮度的变化状况可视化。


串口监视器读取传感器数据,环境变量可视化

Kent Mundle,Yin Ruowei,Huang Shidan,Zhang Jie

然后在电脑中用编码将光敏传感器读度数投射在0-180的区间上(即马达的最大旋转角度),然后再把这个新数值输入给马达,命令马达的角度转动到这个新数值。调整合适的延迟数值,可以控制马达反应的速度。


用编码控制马达

Kent Mundle,Yin Ruowei,Huang Shidan,Zhang Jie

将这一系列编码输入到电脑板之后,马达就会随着外部光线变化而转动了。由于我们购买的光敏传感器并不灵敏,读数只能在一个很大的值和零之间切换,我们决定只用一个传感器和一个马达控制整个传动系统,暂时放弃渐变效果。


最终效果演示

director:Yin Ruowei

| 一点感想和建议 | 

在最少点发生移动的前提下,一组马达+传感器控制一个单体,这样可以让每个单体都独立变化,整体效果会更好。

在这个方案中,如果单体的平板不是弹性织物,角点的运动轨道就会是麻烦的曲线。所以很多时候根据需要的运动方式及时调整材料,充分利用材料特性,可以解决很多问题。

传动系统才是动态表皮设计中最重要的部分,控制运动却有很多种方法。如果不想用感应器控制运动,还有同学用磁铁或者干脆手动控制。

最后感谢一起完成作业的队友:Kent Mundle,Yin Ruowei,Huang Shidan.

引用:

1.互動式建築的實虛共構策略

https://blog.xuite.net/ironbar2k/digifab/42600700-互動式建築的實虛共構策略

2.用grasshopper外挂Firefly来操作Arduino

https://jianyouli.wordpress.com/2014/07/27/使用-grasshopper-firefly-來操作arduino-教學-1-安裝及啟動/

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