木结构建筑结构类型与构造特点（在木结构建筑中使用自然结构）

这张照片显示了研究人员库存中一些拟议的树叉。他们的目标是支持所谓的材料循环经济，这是一种可持续性方法，要求“升级再造”这些废料，在这种情况下，将它们用作木结构建筑的结构接头。 图片来源：Felix Amtsberg

简述

树干和树枝的叉子特别坚固，但它们在木结构建筑中被拒绝，因为它们不是直的。麻省理工学院的研究人员开发了一种方法，使建筑师能够使用废弃的树叉作为其结构中的承重接头。使用数字和计算方法，麻省理工学院过程在建筑设计中的Y形节点之间分配一组废弃的树叉，分配它们以最大限度地利用木纤维中的固有强度 - 如果建筑师改变设计几何形状，立即重新分配它们。计算机驱动的机器人加工可调整和标记货叉，以便使用直木元件轻松组装。麻省理工学院的团队使用从砍伐的城市树木中回收的材料，利用这一过程创建了一个木制凉亭的一部分，该亭子注定要安装在砍伐树木的地点。

对气候变化的关切使建筑部门，特别是建筑材料的提取和加工受到高度重视。混凝土和钢铁行业加起来占全球二氧化碳排放量的15%。相比之下，木材提供了一种自然形式的碳封存，因此有一种使用木材的举措。事实上，一些国家呼吁公共建筑至少部分由木材制成，大型木结构建筑已经在世界各地出现。

观察这些趋势，麻省理工学院建筑技术项目建筑技术项目建筑与土木与环境工程副教授Caitlin Mueller '07，SM ' 14，博士'14，看到了进一步可持续发展的机会。由于木材工业寻求生产传统混凝土和钢构件的木制替代品，因此重点是收获树木的直线部分。不规则的部分，如结和叉子被变成颗粒并燃烧，或磨碎成花园覆盖物，这将在几年内分解;这两种方法都将被困在木材中的碳释放到大气中。

在过去的四年中，Mueller和她的数字结构研究小组一直在制定一项战略，通过在建筑中使用这些废料来“升级回收”这些废料 - 不是作为旨在改善外观的表层或饰面，而是作为结构部件。“你能给材料带来的最大价值是让它在结构中发挥承载作用，”她说。但是，当建筑商使用原始材料时，这些结构部件是建筑物中排放最密集的部分，因为它们含有大量的高强度材料。因此，使用升级再造的材料代替这些高碳系统对减少排放特别有影响。

Mueller和她的团队专注于树叉，即树干或树枝一分为二的斑点，形成Y形碎片。在建筑图纸中，有许多类似的Y形节点，其中直线元素聚集在一起。在这种情况下，这些装置必须足够坚固以支撑临界负载。

“树叉是自然工程的结构连接，在树中作为悬臂工作，这意味着由于其内部纤维结构，它们具有非常有效地传递力的潜力，”Mueller说。“如果你拿一个树叉，把它切到中间，你会看到一个令人难以置信的纤维网络，它们交织在一起，在树上创建这些通常是三维的负载转移点。我们开始使用3D打印做同样的事情，但我们在复杂的纤维取向和几何形状方面远不及大自然。

她和她的团队开发了一个五步“从设计到制造工作流程”，将树叉等自然结构与建筑设计中使用的数字和计算工具相结合。虽然长期以来一直有一种“工艺”运动，即在栏杆和装饰特征中使用天然木材，但使用计算工具使得使用木材作为结构角色成为可能 - 没有过度切割，这是昂贵的，并且可能损害木材的自然几何形状和内部纹理结构。

鉴于当今建筑师对数字工具的广泛使用，穆勒认为她的方法“至少在我们的工业化材料加工系统中具有潜在的可扩展性和可实现性”。此外，通过将树叉与数字设计工具相结合，这种新颖的方法还可以支持建筑师探索新形式的趋势。“过去二十年中建造的许多标志性建筑都有意想不到的形状，”穆勒说。“树枝具有非常特殊的几何形状，有时适合于不规则或非标准的建筑形式 - 不是由某种任意算法驱动，而是由材料本身驱动。

在开始从设计到制造的过程之前，研究人员需要找到树叉的来源。穆勒在马萨诸塞州萨默维尔市的城市林业部门找到了帮助，该部门维护着2000多棵行道树的数字库存，其中包括20多个树种，并记录了有关每棵树的位置，近似树干直径和状况的信息。

在林业部门的许可下，该团队于2018年在新的萨默维尔高中附近砍伐了一大群树木。在现场的重型设备中，有一台削片机，准备将所有废木头变成覆盖物。相反，工人们乖乖地把废木头放进研究人员的卡车里，送到麻省理工学院。

在他们的项目中，麻省理工学院的团队不仅试图升级回收这些废料，而且还试图用它来创建一个被公众重视的结构。“在我住的地方，由于甲虫入侵物种的破坏，这座城市不得不砍伐很多树木，”穆勒解释说。“人们真的很沮丧——这是可以理解的。树木是城市肌理的重要组成部分，提供遮荫和美丽。她和她的团队希望通过“以新的功能结构的形式重新安装被移除的树木，以重新创造以前由砍伐的树木提供的氛围和空间体验”来减少这种敌意。

在确定了来源和目标后，研究人员准备展示其从设计到制造的工作流程中的五个步骤，该工作流程使用树叉清单制作空间结构。

第一项任务是将他们收集的树叉变成一个数字图书馆。他们首先切断多余的材料，生产出孤立的树叉，其中一些如上图所示。然后，他们创建了每个分叉的3D扫描。穆勒指出，由于最近在摄影测量（使用照片测量物体）和3D扫描方面取得的进展，他们可以使用相对便宜的设备创建单个树叉的高分辨率数字表示，甚至可以使用在典型智能手机上运行的应用程序。

在数字图书馆中，每个叉子都由一个“骨架化”版本表示，显示三个直条在一个点上聚集在一起。分支的相对几何形状和取向特别重要，因为它们决定了赋予部件强度的内部纤维取向。

像树一样，典型的建筑设计充满了Y形节点，其中三个直线元素相交以支持临界负载。因此，目标是将材质库中的树叉与示例建筑设计中的节点相匹配。

首先，研究人员开发了一个“不匹配度量”，用于量化特定树叉的几何形状与给定设计节点的对齐程度。“我们试图将结构中的直线元素与树中分支最初的位置对齐，”Mueller解释说。“这为我们提供了负载转移的最佳方向，并最大限度地利用了木纤维的固有强度。对齐越差，不匹配指标越高。

目标是在目标设计中的节点之间获得所有树分叉的最佳整体分布。因此，研究人员需要尝试不同的分叉到节点分布，并且对于每个分布，将单个分叉到节点的不匹配误差相加，以生成总体或全局匹配分数。具有最佳匹配分数的分布将产生对总树叉库存的结构效率最高的使用。

由于手动执行该过程需要很长时间才能实现，因此他们转向了“匈牙利算法”，这是1955年开发的用于解决此类问题的技术。“算法的辉煌正在非常快速地解决[匹配]问题，”穆勒说。她指出，这是一种非常通用的算法。“它用于婚姻配对之类的事情。您可以随时使用它，只要您有两个事物集合，您试图在其中找到唯一的匹配项。所以，我们绝对没有发明算法，但我们是第一个确定它可以用于解决这个问题的人。

该图显示了目标架构结构中研究人员树叉库存的三种可能分布。绿色的叉子与其设计节点非常匹配;红色叉子匹配不良。底部选项的全局匹配分数低于顶部和中间选项的全局匹配分数。因此，底部选件可以更好地利用可用的货叉作为承重接头。

上图展示了一个示例结构设计，其中包含研究人员库存中树叉的三种可能分布。绿色的叉子与它们的节点匹配得很好;设计中的字符串穿过前叉的中心线。红色的叉子不太匹配。顶部选项包括许多红色分叉，因此它具有许多不匹配和高全局不匹配分数。底部选项可实现最多的绿色分叉，因此在三个选项中可实现最低的不匹配分数。

重复测试表明，随着材料库中可用分叉数量的增加，匹配分数有所提高，达到一定程度。总的来说，研究人员得出结论，当材料库中的分叉数量大约是目标设计中节点数量的三倍时，失配得分最低，因此是最好的。

该过程的下一步是纳入设计师的意图或偏好。为了实现这种灵活性，每种设计都包括有限数量的关键参数，例如棒材长度和弯曲应变。使用这些参数，设计人员可以手动更改设计的整体形状或几何图形，也可以使用自动更改或“变形”几何图形的算法。每当设计几何图形发生变化时，匈牙利算法都会重新计算最佳的分叉到节点匹配。

“由于匈牙利算法非常快，因此所有变形和设计更新都可以非常流畅，”Mueller指出。此外，对新几何图形的任何更改之后，都会进行结构分析，以检查结构的挠度、应变能和其他性能度量。有时，自动生成的设计产生最佳匹配分数可能会偏离设计人员的初始意图。在这种情况下，可以找到一种替代解决方案，令人满意地平衡设计意图和低匹配分数。

当树叉的结构几何形状和分布最终确定后，是时候考虑实际构建结构了。为了简化组装和维护，研究人员通过重新切割其端面来准备树叉，以更好地匹配相邻的直木，并切断任何剩余的树皮，以减少对腐烂和火灾的敏感性。

为了指导这一过程，他们开发了一种自定义算法，该算法可以自动计算使给定的树叉适合其指定节点并剥离树皮所需的切割量。目标是尽可能少地去除材料，同时也避免复杂、耗时的加工过程。“如果我们切割得太少，我们将削减太多关键的结构材料。但我们不想进行一百万次微小的削减，因为这需要永远，“穆勒解释说。

在欧特克波士顿技术中心Build Space，一个机械臂在计算机生成的指令的指导下，以不同的方向自动将树叉推过带锯。最终，每个树叉都将与其相邻的直木很好地连接，并为结构连接提供标记和钻孔，使组装变得简单。图片来源：Felix Amtsberg

上图显示了他们用来准备树叉的设置。该团队使用Autodesk波士顿技术中心Build Space的设施，那里的机器人比麻省理工学院的任何机器人都要大得多，并且处理都是自动化的。为了准备每个树叉，他们将其安装在一个机械臂上，该机械臂在计算机生成的指令的指导下，以不同的方向推动关节穿过传统的带锯。机器人还为结构连接铣削所有孔。“这很有帮助，因为它可以确保一切都按照你期望的方式保持一致，”穆勒说。

最后一步是组装结构。基于树叉的接缝都是不规则的，将它们与预切的直木元素相结合可能很困难。但是，它们都被贴上了标签。“几何形状的所有信息都嵌入在接头中，因此装配过程的技术含量非常低，”Mueller说。“这就像一个孩子的玩具套装。你只需按照关节上的说明将所有碎片放在一起。

研究人员在麻省理工学院校园内使用废树叉作为结构元素来制作并安装这种结构。将来，他们计划利用他们的工艺设计和建造一个完整的户外展馆，该展馆将位于砍伐树木的地点，从中恢复了叉子一词。图片来源：Felix Amtsberg

上面的照片显示了他们的最终结构，他们临时安装在麻省理工学院的校园里。穆勒指出，这只是他们计划建造的结构的一部分。“它有12个节点，是我们用我们的流程设计和制造的，”她说，并补充说团队的工作“有点被大流行打断了”。随着校园活动的恢复，研究人员计划完成整个结构的设计和建造，其中包括大约40个节点，并将作为户外凉亭安装在萨默维尔砍伐的树木上。

此外，他们将继续研究。计划包括使用较大的材料库，其中一些使用多分支分叉，并用计算机断层扫描技术取代其3D扫描技术，该技术可以自动生成树叉的详细几何表示，包括其精确的纤维取向和密度。在一个平行项目中，他们一直在探索将他们的工艺与其他材料来源一起使用，其中一个案例研究的重点是使用拆除的木结构房屋中的材料来建造十几个测地圆顶。

对于Mueller来说，迄今为止的工作已经为建筑设计过程提供了新的指导。借助数字工具，建筑师可以轻松分析设计选项的隐含碳或未来能源使用情况。“现在我们有了一个新的绩效指标：我利用可用资源的能力有多好？”她说。“使用匈牙利算法，我们基本上可以实时计算该指标，因此我们可以快速而创造性地将其作为设计过程的另一种输入。

2021年夏天，麻省理工学院的设施砍伐了许多树木，为新的麻省理工学院音乐大楼让路。Caitlin Mueller副教授和她的团队收到了上面显示的材料，以进一步研究在建筑中使用回收材料。图片来源：Lee Kennedy Co.的Neil Patel。

编译 陈讲运