C H I R I S —— 可变结构设计

即使在强调多元化的哥大GSAPP，可变设计（TransformableDesign）依然是学院里另类的存在。...

本期由浦陈宇分享他和合作者们在哥伦比亚大学做的设计。课程即使在强调多元化的GSAPP，可变设计（Transformable Design）依然是学院里另类的存在。这门于2014年开设的选修课，在学期开始的教授自我介绍环节里就让大多学生不知所措。由于GSAPP的学生们习惯了充满抽象的哲学思考的选修课大纲，当Chuck Hoberman教授带着连杆示意图和机械自由度的计算方法出现在讲台上，说出他平时的教学目标的时候，鲜有学生愿意当试水的那一个。在 “可变结构” 已然成为建筑学未来发展方向的cliché的现在，面对一个真正毕生致力于可变结构并有不少建成作品的教授，学生们却退却了。人满为患的AveryHall最终选择这门选修课的学生仅11人。于此对比，选择同年一个更加偏向“假想” 的可变建筑设计studio的学生却超出限额需要抽签决定。笔者有幸同时参与了两者，并且认为后者在设计过程中不断寄希望于 “Magic Material”的态度，较之前者，是偏离了可变结构这个概念提出的本意的。

老师

他自称“艺术家-建筑师-工程师”

Chuck Hoberman的经历不可谓不奇特。少年立志成为艺术家的他，本科就读于Brown University文理学院和Cooper Union雕塑系。在他学习雕塑的过程中，一项“可移动的雕塑” 的设计委托让他对动态艺术产生了浓厚的兴趣。在Columbia University取得了工程硕士学位后，他进入了一家机器人工程公司。在学会了计算机机械模拟后，他开始了他艺术-工程结合的事业。

他有许多如活动雕塑，以奇特的方式移动的建筑遮阳装置，令人震撼的舞台布景等堪称奇观的作品。他甚至还涉猎了卫星太阳能板的折叠设计。但他最为人所熟知的作品却是称为 Hoberman Sphere的，从他最初的可动雕塑简化而来的儿童玩具，不得不说有些令人唏嘘。

这玩具中剪刀连杆的微妙的角度，是这种玩具，以及他所设计的一类折叠作品的基石。这角度由数学公式所定义，可以扩展应用至任意曲面。跨越各种尺度，与不完美的材料和工艺搏斗，将这种仅存在于抽象概念中的数学公式变成各种实体，不得不说工程的魅力就在这里。

而Hoberman教授，深受其艺术教育的影响，又远非只顾实用的工程师。他所设计的各种精密的机械装置的建筑应用，视觉奇观的意义大于实用，同经济性更是了无关系。

那些装置移动时几乎毫无声息，似乎无意引起注意；完全几何的形态又似与世态无干 - 其昭示的是一种艺术品式的“无用之美”。发明或继承

不得不承认，学习建筑学的过程中习惯了“发明”概念的笔者，最初对这门课的方法 - 研究如何在前人研究的机械原理上提出原理的新的应用 - 是有抵触的。而这种抵触在最初两堂极为基础的联动装置原理课后消弭了。一方面认识到要在14周内，在一个自己不熟悉且已有无数工程师研究过的，被数学和材料、工艺严格限制的领域提出所谓“有深度”的创新是不现实的。另一方面，Hoberman教授展示的他在MIT工程学院的开设的机器人课程上精巧的却也是基于被大量研究过的原理的学生作业，让我了解到：认识到这一点后，笔者和组员迅速决定了project的方向：由于在较大尺寸上木材复杂受力下的形变可能带来的节点精度问题，我们放弃了复杂三维造型的可折叠结构的尝试。在可平面折叠圆形结构原型（Iris Structure）的基础上，设计一种三维的cladding，让Iris Structure在闭合的时候能形成真正的围合，而在打开的时候，层叠的纸结构有更强的存在感。

模型精度

由于所有过程成果都需要以模型表达，当确定要以轻重对比作为structure和cladding的视觉区分的时候，胶合木+纸成为了学生技术手段下，兼具可加工性与刚性的材料之唯二选择,而折纸作为变形手段也几乎是必然。考虑到最终制作1：1实物的工作量和加工难度，笔者组选择以最简单的形状 - 沿角平分线脊折的三角形 - 来覆盖剪刀连杆。

三角面在绕边进行三维旋转，而三角形顶点处与Iris铰接点链接的环却必须保持在平面内旋转，这是本设计面临的第一个挑战。

整个模型有72根杆件，84个铰接点，7种144个三角形cladding，任何增加材料、工艺复杂度的节点设计都会最终导致建造工作量的指数增长。同时笔者在探索时发现，材料的厚度给小比例模型的制作带来的挑战比预计的多。胶合板的厚度使得剪刀连杆的活动杆件不在一个平面，导致cladding的两条边在三维空间中不平行。当cladding元件越趋近于闭合的时候，纸的面内扭曲就会越大。而一个典型的铰节点有六个三角形顶点汇聚，即便是纸张简单层叠，累加起来的厚度会更加剧面内扭曲，罔论其他材料做的旋转顶点了。

因此cladding元件，包括旋转节点、边缘加固，必须由单片纸张折叠而来。而在不断的制作试错过程中，为了避免三角形折叠起来后和塑胶节点的冲突，以及多个元件在同一节点处，边缘加固部分之间的冲突，元件的形状越来越偏离设计中的“理想”几何型，变得奇怪起来。而这144个元件，在铰接点出必须按照一定次序安装。而每个塑胶节点也必须调整到合适的扭矩，太松则整个结构不能保持平面，太紧则结构无法移动，甚至损坏cladding元件。制造精度

笔者和组员在小比例模型的制作过程中，渐渐将圆形开合的构筑物与中国园林中的圆形门扇联系了起来，并最终决定把最后的1：1实物定义为作为抽象的几何而孤立于环境的院门，置于Avery Hall（哥大建筑系系馆）后的小庭院的入口处。作为一扇象征意义的门，它通过繁复的几何，以及具有仪式感的开启方式，与背后教堂的花窗呼应，来作为和现实环境的接点。因为灵感来自于中国的院门，因此作品被命名为Chiris，意为Chinese Iris。最终，作品在GSAPP的End Year of Show（EYoS）上作为装置让人们自由互动。



这是一个颇具野心的计划。为了在完全开启后能通过一个正常体格的成年男子，圆形结构的外部直径至少为10英尺（3米）。而EYoS相当大的人流量，对结构的强度和耐久提出了较高要求。

伴随野心的总是真正的挑战。将小尺寸设计应用于全尺寸实物建造的过程中，当材料自重以三次方增加的时候，材料强度却只以二次方增长。为了补偿损失的强度而增加的构件尺寸，加剧了不同平面的形变问题。而截面尺寸增加使得构件显得十分粗笨。将杆件做成中间收细的曲线形，在节点处加粗抵抗剪力，笔者和组员还花了几个晚上将边缘倒角打磨，进一步减少粗重感。

纸张的质感放大到1：1之后显得比较苍白。而且通过小尺寸模型得知，纸张材料开合仅仅数十次就能在折叠处产生的疲劳破坏。笔者和组员讨论后决定:

以硬纸板为骨，以帆布为皮，让帆布成为三角形cladding折叠处的材料，同时给cladding带来更加丰富的质感。同样由于材料厚度的增加，元件的形状经历更多的调整，加入了更多的切口才能避免互相冲突。固定纸板和帆布的方法经过几番讨论，决定采用喷涂型的胶水来简化工序。而能可靠固定纸张和布匹的胶水也是经过多次实验才最终确定。即便如此，对布料的加工依然完全依赖于手工裁剪，而为了不污损纸板和帆布，又能保证足够的胶水覆盖，喷胶的遮盖工序也相当耗时。加上工期的紧迫，种种原因迫使cladding元件不再覆盖整个结构，以相应减少数量。



同时，旋转带来的摩擦和极大自重带来的的剪力使得塑料/木制的铰接点不再适用。考虑到传统上有很多儿童参加，最脆弱的铰接点必须有足够的强度冗余。由于结构厚度的增加，不同位置的铰接点厚度相差巨大。同时亦不希望使用润滑剂，以免污损cladding表面。最终，实验过多种材料组合后，以多种长度的碳钢螺栓为轴，以耐冲击纤维管为木材保护和润滑，不同材料间使用不同材料垫片，以自锁螺母固定扭矩的节点被设计出来。一共7种，每种超过了10个构件。而每种构件的尺寸和组合方式，是在以1/32英寸为增量的不断替换尝试中确定下来的，以求最少的结构晃动和最小的摩擦。节点复杂的组成给安装过程带来了极大的挑战。但一切辛劳在连7岁儿童都能拉动的最终成果面前，显得微不足道。



最后的挑战

最后的挑战是整个装置的支撑结构。为了强调Chiris的几何形，和作为门的抽象性，我们希望整个装置能有如悬浮一般出现在场地上。因此，整个基座以单点平衡为前提被设计出来。一个10英尺x10英尺的基座将重心拉得足够低，并在中央提供一个凹槽，防止上部结构移动。基座在四角各提供一个挂钩用以固定钢索。上部的以三层胶合板错接形成的圆形骨架，以一小小的三角形突起固定于基座的凹槽中，再被以直径1/4英寸的钢索限制在平衡位置上。纤细的钢索和重达上百公斤的胶合板结构的对比中消失，整个结构因此漂浮起来了。最终这个设计在EYoS上，得到人们的赞叹，甚至有对夫妻希望能够将其摆放在自己的院子里。

这是一个少有的体力劳动和脑力劳动同样重要的设计。但从中得到成就感数倍于身体的疲劳。即便用上了CNC和激光切割，整个设计过程中仍然出现了数不清的由于容差和安装工序相关的失败。这种失败，在越来越数字化，越来越偏向理论甚至空想的现代美国建筑教学中，显得弥足珍贵。而以失败的形式亲身体会到的“容差”对于建造的重要性，会在笔者今后的设计生活中伴随一生。
最后再来欣赏下Chiris的可变效果：

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