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設(shè)計單位? XWG建筑工作室

項目地點? 上海寶山

建成時間? 2024年7月

建筑面積? 20平方米

本文文字由設(shè)計單位提供。

3D打印混凝土咖啡屋位于上海寶山區(qū)智慧灣科技園區(qū)，這是一座面積20平米的小型建筑，其獨特的外觀將建筑功能與環(huán)境藝術(shù)相結(jié)合，成為園區(qū)的地標之一。該建筑的設(shè)計和建造過程融合了智能生成設(shè)計與3D打印建造的創(chuàng)新成果，探索了AI時代背景下建筑設(shè)計和建造的新路徑，展示了未來建造工業(yè)可能的雛形。

建筑設(shè)計始于甲方提出的“咖啡杯”概念，同時甲方希望該建筑造型具有標志性和話題性，并能利用AI大模型進行設(shè)計、通過3D打印混凝土技術(shù)進行建造。

建筑師選用了OpenAI的大語言模型（ChatGPT4），讓其寫出幾個提示詞（Prompts），以便給圖像大模型Dall·E3生成“形狀具有創(chuàng)意的咖啡杯”。GPT4按照指令生成了3個提示詞，將其輸入到Dall·E3后，生成了相對應(yīng)的咖啡杯造型，但這些造型還不能滿足建筑師的要求，進而建筑師改寫了提示詞，大模型生成了一系列咖啡杯造型，經(jīng)篩選后提供了其中3個咖啡杯形狀供甲方選擇，最終甲方選擇了中間的形狀作為實施方案。

在這個過程中，AI大模型工具為甲方提供了參與設(shè)計的機會，甲方成為從概念到圖像的共創(chuàng)者，同時，建筑師仍然作為主導者，用其專業(yè)的審美及技能保證建筑設(shè)計的專業(yè)水準。

雖然甲方與建筑師共同確定了建筑的初步形象，但是這個大模型生成的結(jié)果是二維的圖像，要進行設(shè)計深化必須有三維模型，而且三維模型應(yīng)可編輯。這樣，建筑師又使用了TripoAI工具將二維圖像發(fā)展為三維可編輯模型。

在TripoAI模型的基礎(chǔ)上，建筑師對模型的高度及直徑進行了調(diào)整（H4.5米，D4.0米）以符合建筑尺度要求，同時加上了門窗、屋頂、立面細部等，使其成為建筑設(shè)計模型。在這一環(huán)節(jié)，特別重要的是獲得可編輯的三維模型，因為只有三維可修改的模型才能進行建筑設(shè)計的調(diào)整和深化，從而通過不斷推敲使其發(fā)展成為滿足使用需求的建筑模型。

▲ 可編輯的三維模型視頻? ?XWG建筑工作室

建筑模型是為了實現(xiàn)建造的模型，它還必須具備可建造性，這包含了建筑材料的選擇、主體結(jié)構(gòu)的計算和優(yōu)化、水電系統(tǒng)的設(shè)計、各部分的構(gòu)造方式和連接節(jié)點等，以保證該建筑物結(jié)構(gòu)安全合理，構(gòu)造邏輯清晰，設(shè)備系統(tǒng)完整，施工組織可行。

該建筑結(jié)構(gòu)主體采用3D打印混凝土方式建造，屋頂和“咖啡杯把手”造型采用了FRP（纖維增強復(fù)合物）數(shù)控加工制造，門窗則由鋼材數(shù)控加工成型；這三類部件均直接由數(shù)字模型輸出加工參數(shù)，保證加工及施工精度。主體結(jié)構(gòu)的計算使用了Abaqus軟件進行整體模型計算，門窗開洞處填入鋼框架以保證結(jié)構(gòu)的整體性受力，屋頂及“把手”與主體脫開單獨計算并分別安裝。

主體結(jié)構(gòu)的3D打印設(shè)計依托了團隊自主開發(fā)的3D打印軟件平臺。首先把主體模型進行打印部署，將其分為底部圈梁基礎(chǔ)及窗下墻、三塊窗間墻、窗上部圈梁及屋頂?shù)炔糠郑黄浯瓮ㄟ^軟件自動生成分部模型的打印路徑，并導出代碼；接著在軟件中進行打印模擬，并糾正錯誤直至獲得正確的打印代碼，傳遞給機器臂。

施工現(xiàn)場包含了放線挖槽、地基處理、分部打印、屋頂及“把手”吊裝、門窗安裝、水電管線鋪設(shè)、室內(nèi)裝修，建筑外表面處理等分項。其中主體結(jié)構(gòu)的分部打印是這項工程的主要內(nèi)容，設(shè)計采用了一套可移動式智能3D打印機器人，按照打印部署及設(shè)計在現(xiàn)場原位打印建造。

主體結(jié)構(gòu)完成后，將機器人吊出，進行預(yù)制屋頂及“把手”吊裝，并安裝門窗等構(gòu)件，之后鋪設(shè)水電管線，進行室內(nèi)裝修等施工，最后再進行建筑外立面防水及保護漆噴涂，完成整個建筑的建造。

該建筑的設(shè)計和建造過程是一次面向未來的設(shè)計與建造嘗試。AI大模型為甲方和建筑師提供了全新的溝通和創(chuàng)造工具，在大模型的輔助下，初始的設(shè)計意圖可以生成無數(shù)圖像，但如何調(diào)整和選擇，仍需要建筑師的智慧。特別是如何結(jié)合經(jīng)驗，在隨機的圖像中看到其作為建筑建造的可能性，這是一種建筑專業(yè)判斷的能力。

3D打印的智能建造方式，讓這一空間從曲面的數(shù)字模型到實物建筑的過程成為可能，通過這種技術(shù)，建筑師對建成效果擁有了更多的把控。

總結(jié)這一項目的設(shè)計建造，它確實走了一條不同傳統(tǒng)的道路，即通過大模型智能生成設(shè)計，并以3D打印的技術(shù)進行建筑建造。

設(shè)計圖紙? ▽

完整項目信息

項目名稱：3D打印咖啡屋

項目類型：建筑

項目地點：上海寶山智慧灣科技園

建成狀態(tài)：建成

設(shè)計時間：2024年3月—2024年4月

建設(shè)時間：2024年5月—2024年7月

用地面積：126平方米

建筑面積：20平方米

業(yè)主：上海寶山智慧灣科技園

造價：50萬元

設(shè)計單位：XWG建筑工作室（清華大學深圳國際研究生院、清華大學建筑學院）

主創(chuàng)建筑師：徐衛(wèi)國

設(shè)計及打印團隊完整名單：高遠、吳承霖、冬木千枝、張雨萌、梅玥、崔方、何雨婷、孫晨煒、毛宇軒等

視頻版權(quán)：XWG建筑工作室

設(shè)計單位聯(lián)系方式：xwg@mail.tsinghua.edu.cn

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