近零智慧建造：成大數位智造工坊打造首座機械手臂木構加工與混凝土列印整合的低碳構築
文、圖／成大建築系
由國立成功大學建築系師生團隊共同打造，整合機械手臂木構加工與混凝土列印的低碳構築作品「巢蛹翼動」在 113 學年度新學期初嶄新亮相，為台灣的「近零智慧建造」邁出嶄新的一步。該作品也是成大數位智造工坊（RAC-Coon）繼 2021 年「波簷」、2022 年「織蔭」、2023 年「落葉之脈」之後，再度推出的第 4 座機械手臂構築。
「 巢蛹翼動」 開幕日合影
「巢蛹翼動」由成大建築系沈揚庭老師與顏嘉慶老師指導，以設計工作室（Design Studio）的模式將機械手臂輔助構築的技術融入到建築系設計課程之中，整合的設計建造團隊包含鄭又碩、徐浚翔等 2 位大四學生，杜孟澤、簡任謙、林聖洋等 3 位碩士生，加上黃廉凱、珇睿．巴阿里甕、蔡承恩等 3 位博碩士生技術助教，以及建築系姚昭智老師、建築系杜怡萱老師、土木系劉光晏老師等 3 位結構與材料顧問，以「近零智慧建造」為主題，在成大光復校區建築系科技大樓旁打造一座極具低碳實驗性的木棚實構築。10 月 8 日開幕當天，成大建築系薛丞倫主任致詞時表示：實構築以 design-build 培養學生許多建築的能力，除了學習運用最前瞻的工具技術，團隊合作中機器手臂結合身體的勞動，體現蘊涵在材料構築中更豐富多元與介入公共的可能。
「巢蛹翼動」以台灣常見的粉蝶羽化過程為仿生的發想，從蝶蛹中得出形抗結構的造型，以兩片對稱的複雜幾何曲面形成包覆的棚架造型，象徵以蛹保護羽化前的蝴蝶，同時也創造出人可以通過與停留的過道空間。另一方面，在構造上則是模仿羽化後的蝶翼，在曲面上進行大小不一的多邊形分割形成碎形框架系統，除了能展現出蝶翼斑斕的效果外，同時也使整體結構能夠成一張無主從結構的網狀傳力系統，以適應複雜的曲面造型。
「 巢蛹翼動」 在機械手臂的數位製造輔助下實現出仿生的複雜曲面造型
「巢蛹翼動」除了仿生的造型外，另外一個重要的亮點在於低碳化的工法，包含機械手臂木構築與機械手臂混凝土列印兩種工法。首先是木構工法上，木材本身便有先天的固碳優勢，是一種很好的低碳建材。但是傳統的觀念上對木頭的想像大多只停留在日式木造房屋的印象，無法做出太多造型與結構上的突破。然而事實上木頭是一種極具加工潛力的材料，因此團隊導入以機械手臂為主的數位製造技術，對木材進行精準的客製化加工。如此一來木材在造型的設計上便獲得了解放，使得團隊在操作蝶翼造型的複雜曲面能有更高的自由度。在此前提下設計團隊搭配參數化設計產生數位雙生模型，一方面能很好的對網格化曲面後所分割出的木頭單元做出最佳化的組構關係檢驗與調適，另一方面也能產出精準的製造數據提供給機械手臂做大量的客製化加工，突破手工加工木頭的侷限。設計團隊開發了以接頭控制曲率的關鍵工法。透過山形與 V 行接頭的連接桿件，巧妙地將所有的單元木框單元進行連接之餘，同時也控制各單元方向與角度能準確的被定位，使木框單元能像蝴蝶翅膀鱗片般順應不同的曲度需求，進而形塑出一個多曲度的粉蝶展翅造型主體。
機械手臂木構築（左）與機械手臂混凝土列印（右）兩大低碳工法的數位製造過程
另外一個重要的工法突破在於「低碳免拆模 RC 工法」，團隊在作品的基樁製作上，研發應用了全國首次亮相的機械手臂輔助免拆模 RC 工法。透過機械手臂的混凝土 3D 列印技術，直接列印鋼筋混凝土（RC）的造型外模，再於內部置入鋼筋與澆製由成大土木系劉光晏老師所研發的低碳無機聚合混凝土（Geopolymer Concrete）。如此一來，不但省去以人工訂製模板的複雜工序，同時也讓混凝土在造型上變得更加的彈性。此外，更重要的突破是無機聚合混凝土材料本身不含水泥，因此相較於傳統水泥含量較多的高碳排混凝土，本次的施工在碳排上大大的降低，回應了全球在近零碳排上的趨勢，同時也為在地化近零建築的國家戰略目標開展了一個極具潛力的智慧減碳取徑。
達姆施塔特工業大學（TU Darmstadt）Oliver Tessmann 教授（左二）參觀「 巢蛹翼動」 機器人構築作品
「巢蛹翼動」在落成後獲得業界與學界的極大關注，除開幕當天有國內知名的數家營建廠商前來觀摩與交流外，德國以機械手臂建造聞名的達姆施塔特工業大學（TU Darmstadt） Oliver Tessmann 教授也特地在訪台的行程中前來交流，並對於團隊將低碳議題與機械手臂建造融合並建造出全尺度作品讚賞不已。統合這次建造的建築系沈揚庭老師表示：低碳建造是全球建築產業重要議題，而數位智造工坊（RAC-Coon）能將低碳材料與智慧建造作深入的整合並研發出對應的工法，顯示出成大在近零碳排上的研發能量，更有機會以近零智慧建造為台灣在世界舞台上貢獻出國際影響力。
維護單位:
新聞中心
更新日期:
2024-10-11
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