大型積層造形HEPAシェル構造のパラメトリック設計とモジュール構造

出典: Architectural Intelligence

近年、積層造形技術は大きく進歩しましたが、大規模な印刷装置のコストが高いため、建築規模の構造物の 3D 印刷は依然として困難です。この課題に対処するために、モジュール構造は、小型のプレハブ部品と現場での設置を通じて独自の利点を発揮します。この記事では、華南理工大学建築設計研究所の蘇超昊教授のチームがモジュラー 3D プリント技術を使用して設計した HEPA シェル構造のアートインスタレーションを紹介します。チームは、パラメトリック設計と構造解析に基づいて HEPA シェルを最適化し、くり抜かれた蝶の模様の形状を作成しました。完成品の完成までの時間を短縮するために、複数の市販の 3D プリンターを使用してモジュールユニットを事前に製造しました。広州国際照明フェスティバルの期間中、この 3D プリントされた HEPA シェルを現地で組み立てました。サンドイッチ構造の照明設計により、夜間効果を実現しました。この作品は英国で解体され再建され、モジュール設計の適応性と柔軟性を実証しました。その結果、3D プリントされた構造アートは、建築環境に独特の美的価値をもたらすだけでなく、建設プロセスを簡素化することで低予算で大型の薄殻構造物を構築する可能性も示しています。

記事全文をダウンロードするには、リンクをクリックしてください: https://doi.org/10.1007/s44223-023-00041-0

革新

従来の現場打ち工法は、建築環境への危険性と資源消費量の高さから、実際には不利な方法となっています。建物の効率を高め、炭素排出量を削減するために、モジュール化とプレハブ化を活用した新しい建設方法に対する需要が高まっています。付加製造（3D プリントなど）の導入により、より少ない労力と材料で非標準の構造部品を製造する新しい方法が提供されます。

近年、積層造形技術は大きく進歩しましたが、大規模な印刷装置のコストが高いため、建築規模の構造物の 3D 印刷は依然として困難です。この課題に対処するために、モジュール構造は、小型のプレハブ部品と現場での設置を通じて独自の利点を発揮します。この記事では、モジュール式 3D プリントを使用した HEPA シェル構造の芸術的研究を紹介します。パラメトリック設計と構造力学解析に基づいて、HEPA シェルを最適化し、中空の蝶のパターンを持つ形状を形成しました。完成品の完成までの時間を短縮するために、複数の市販の 3D プリンターを使用してモジュールユニットを事前に製造しました。広州国際照明フェスティバルの期間中、この 3D プリントされた HEPA シェルを現地で組み立てました。サンドイッチ構造の照明設計により、夜間効果を実現しました。この作品は英国で解体され再建され、モジュール設計の適応性と柔軟性を実証しました。その結果、3D プリントされた構造アートは、建築環境に独特の美的価値をもたらすだけでなく、建設プロセスを簡素化することで低予算で大型の薄殻構造物を構築する可能性も示しています。

パラメトリック設計や積層造形などの新興技術により、建設業界で進行中のデジタルパラダイムシフトが加速しています。デスクトップ 3D プリント方式と比較すると、大規模な積層造形には、重量の増加、境界条件の複雑化、コンポーネントの接続方法などの新たな技術的課題が伴います。大規模な積層造形物を構築するには、ロボットアームの印刷キットか、印刷サイズが小さいモジュール式コンポーネントが必要です。本研究では後者のアプローチを採用し、全スパン6.6m、全高4.8mの大規模ハイパーシェル構造を設計・製作した。パラメトリック設計と機械構造解析を組み合わせたインタラクティブなプロセスに従って、ハイパーシェル表面の開口部の位置の最適な分布を見つけることができました。プリンターの製造能力の限界を考慮して、全体の構造をさまざまな形状の多数の小さなモジュールに分割し、製造作業を複数のプレハブ工場に送りました。このプレファブリケーションを 2 つの工場で並行して実行することで、モジュールユニットを 4 ～ 5 日で完成させ、その後設置プロセスのリハーサルを実施することができました。さらに、ランプや配線のためのスペースを確保するために、構造設計プロセスにデジタル照明設計を取り入れました。注目すべきは、シェル構造は分解して再組み立てすることができ、さまざまな用途に使用できることです。私たちは、英国ランカスターとシェフィールドでその建築的効率性を実証し、その後、香港デザイン研究所で展示しました。環境の観点から、私たちは、さらなる材料回収戦略として、蝶の殻が変態を完了するのと同じように、印刷されたモジュールを小さな破片に分解し、3D 印刷のフィラメントまたはペレットに戻すことが含まれると考えています。

3D プリント機器とロボット支援技術の最近の進歩により、より大きな部品を製造できるようになり、積層造形技術が建設業界にさらに適したものになります。同時に、モジュール設計手法は、コンポーネントの再利用と再組み立てのためのより優れたコネクタを設計することで、3D プリント部品の標準化に今日でも適用できます。このケーススタディが、3D プリント構造のモジュール設計と製造に関するさらなる研究の指針となり、刺激となることを願っています。潜在的な研究の方向性としては、モジュールユニットと空間構造の最適化、高速大規模印刷装置の開発、3D プリントされたプレファブリケーション部品による機能やエネルギーの統合成形、材料リサイクル戦略などが挙げられます。私たちは、大規模な積層造形が従来の建設技術を補完し、スマート建設の時代に軽量でカスタマイズされた構造物を設計する自由度を設計者に提供すると考えています。

Hypa シェルの生物にヒントを得たデザイン。 (a) 力のメカニズム。 (b) 縮小された3Dプリントハウジングでのテスト。エンクロージャのテスト。（c）代表的な翼型とそのバリエーション[44] (d) 生物にヒントを得た中空パターンを持つシェル。蝶の羽にインスピレーションを得た Hypa シェルの全体的な設計フローチャート。
ベースライン Hypa シェル (a) 幾何学的パラメータ、(b) 異なるライズ対スパン比を持つ Hypa シェルの応力分布、(c) ボロノイ多角形の適用、(d) 中空パターンの生成。
中空パターンを持つ HEPA シェルの形状最適化プロセス HEPA シェルの数値解析。 (a) 静的荷重下での応力分布。 (b) 風荷重下における応力分布。 (c) 座屈解析から得られた固有値の形状。
モジュールユニットの組み立て。 a 2 つのコネクタ。b 12 個の大きなコンポーネントを備えた HEPA ハウジング。 c 3D プリントパネル内の照明源。
照明の設計とテスト。 a 照明設置穴と溝のパラメトリック設計 b 照明効果テスト c 実際の夜景照明のデモンストレーション著者および組織
華南理工大学建築学部、広州、510641、中国
スー・チャオハオ

SCUT Co., Ltd 建築設計研究所、広州、510641、中国
スー・チャオハオ、メイキン・ユアン、イー・ファン

華南理工大学土木工学・交通学部、広州、510641、中国
陸珠と南湖

大型積層造形HEPAシェル構造のパラメトリック設計とモジュール構造

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