Apr 13

Apr 13 数字孪生下的神话重塑：OUROBORUS 3D混凝土打印装置的建造实验

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数字炼金术：本科生如何用分形工具路径，把“蛇吞尾”变成3D打印结构？

在大多数建筑设计中，复杂几何往往停留在图纸或渲染中，很难真正进入建造阶段。

尤其是在3D混凝土打印（3DCP）中，路径中断、材料不稳定与结构弱化，使得「复杂形态」与「可建造性」之间始终存在落差。

那么，一个高度抽象的神话意象，是否真的可以被转化为一个可计算、可制造、可建造的结构系统？

西交利物浦大学建筑系 ARC301 课程的建造实验作品 OUROBORUS（衔尾蛇），提供了一个相对完整的答案。

▍从神话意象到结构逻辑：不是「画龙」，而是「找力流」

「衔尾蛇」这一吞噬自身尾巴的古老符号，通常被理解为循环与再生的象征。在该项目中，这一意象并未被直接转化为视觉形态，而是被重新理解为一种连续、闭合与自我循环的结构逻辑。

设计团队以中国龙的抽象形态为参照，但真正驱动几何生成的，并不是造型，而是结构性能。

借助拓扑优化算法，团队在模拟结构载荷的条件下，对几何体进行迭代分析，从而识别出力流分布的最优路径。随后，通过 Karamba3D 的数值模拟，对结构在重力作用下的屈曲（buckling）与整体刚度进行验证。

这种基于性能驱动的设计策略，使得最终形态既具备流动与转化的视觉特征，也拥有清晰的内在受力逻辑。

▍分形几何的真正作用：解决「打印路径」问题

OUROBORUS 的关键突破，并不只是形式，而在于其分形工具路径（fractal-based toolpath）的构建方式。

在传统3D混凝土打印中，路径规划通常倾向于保持连续，以减少打印过程中的停顿与接缝问题。
路径中断可能引发层间缺陷与粘结不稳定，从而影响构件的整体质量与结构性能。

为此，项目引入了受脑珊瑚（Brain Coral）生长机制启发的分形逻辑，通过 Grasshopper 脚本构建了一套迭代生长算法。该算法生成的空间填充曲线具有高度自相似性，并能够在局部区域根据曲率与受力需求进行细化。

更重要的是，这种曲线被用于直接生成打印路径，而不仅仅是几何图案。

通过将二维分形曲线投影至三维格栅壳体表面，团队实现了一种连续、无中断的沉积路径。这一策略有效避免了传统打印中因路径中断而导致的结构薄弱问题。

同时，路径密度可以被参数化控制：在受力集中的区域提高密度，在非关键区域降低材料用量，从而在结构性能与自重之间取得平衡。

▍从几何到建造：实验室与工厂之间的「断层」如何被填平？

许多学生项目止步于数字模型，而 OUROBORUS 则进一步进入了真实建造流程。

在西浦 Design Fab Lab 中，团队首先完成了一系列材料实验，包括混凝土配比与流变参数（如静态屈服应力）的校准。这些实验直接影响了打印稳定性与构件精度。

为了支撑复杂的双曲面结构，团队采用了 CNC 切割的泡沫模具（CNC-milled foam formwork）作为柔性支撑系统。这一策略突破了传统3D打印仅依赖逐层堆叠的限制，使更复杂的几何成为可能。

随后，项目进入工业协同阶段，由专业 3D 混凝土打印公司完成全尺寸构件的制造。

在实际打印过程中，数字模型被转译为可执行的机器路径（toolpath），并由龙门式打印系统完成材料沉积。混凝土经由泵送系统输送至打印头，通过连续挤出（extrusion）按既定路径逐层堆叠，形成空间结构。

在这一过程中，打印速度、层高控制以及材料流变性能之间需要保持精确平衡：过快会导致结构失稳，过慢则可能影响层间粘结质量。因此，几何生成、路径规划与材料参数在此阶段被紧密耦合，成为连接数字设计与物理建造的关键环节。

在装配层面，整体结构被拆分为一系列互锁的分形模块，并通过 U 型不锈钢连接件、螺栓与榫卯节点进行干式组装。这种连接方式不仅提高了施工效率，也增强了结构的可重复拆装能力。

这类项目的核心价值，并不止于形体表达。

OUROBORUS 并不仅仅是一次形式实验。

更重要的是，它展示了一种连续的设计—建造方法：

从意象出发，但不止于表达
从几何生成，直接过渡到制造逻辑
将结构性能、材料行为与施工路径整合为一个系统

本质上，这个项目并不是在“设计一个形体”，而是在构建一套从几何生成到建造执行的完整工作流。

▍项目技术参数

尺寸：3.0m × 3.0m × 3.0m
软件：Rhino / Grasshopper, Karamba3D
制造：龙门式3D混凝土打印、CNC泡沫模具切割
材料：特种3D打印混凝土、304不锈钢连接件

项目团队

导师团队

指导教师： Iasef Md Rian

助教： Yuhan Li

第1组 — 数字建造

Jingwei Tian
宋耀柏（项目统筹）
Rico Rusli
沈姝羽（组长）
Yeonji Kim
Jiamin Leng

第2组 — 建造

Ruyun Xu
尹灵均（组长）
翟子琪
Jiaying Feng
Hanglu Chen
Zhiyu Wei

第3组 — 协调

Weile Zhao
Mingpei Sun （组长）
Ziqi Lin
Yinuo Zhang
Weixuan Wu
Xinyu Zhang
Zijie Ye

第4组 — 文档

Yicheng Yang
Jiamin Zhang
Jianing Tai （组长）
Qingang Zhang
Yao Wei
Xinyue Shen

【制作团队】
企划：宛妮
脚本：宛妮
排版：芷仪
校对：Tav
监制：了有和、Beatrice

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【作者信息】
学校：西交利物浦大学
*已标注信息来源。