浮现成形：基于拓扑优化的设计与建构

数字设计建造| 线下工作营 | 英文/中文

主题

20世纪末计算辅助设计技术引入建筑设计领域以来，人类获得了更多自由和创造力的进行建筑找形。近年来，随着一些具有有机和复杂形态的建筑项目的完成，一个新的问题被提出：建筑师是否可以像自然一样使用“形态演变”的形式智能地生成新兴的建筑形态？

幸运的是，在结构领域中被称为拓扑优化的技术，为这种设计策略创造了可能性。该策略旨在通过逐步添加或删除材料单元，找到在某些材料限制下具有最优结构性能的解决方案。随着谢亿民院士团队对双向渐进结构优化法（BESO）进一步的更新以及对最新拓扑优化插件Ameba的开发，建筑师们将通过一种新的力学模拟算法，更智能化地与计算机协同合作，创造高效、新颖的建筑形态，引入先进的3D打印建造技术，以促进大规模定制在建筑领域里的应用。

内容

作为DigitalFUTURES2023暑期工作营之一，“浮现成形”工作营由谢亿民院士、鲍鼎文博士和严鑫博士来领导。工作营旨在探讨基于拓扑优化的智能建筑结构形态生成及建造，将通过双向渐进结构优化法及其软件Ameba的讲解及应用，引导学生从力学模拟的角度思考建筑形态的生成方法。高迪圣家堂的有机仿生形态和拓扑优化的理念将贯穿于此工作营的空间结构找形和仿生表皮设计，将拓扑优化方法和仿生灵感应用于建筑形态设计上。学生将接受培训，通过使用Ameba拓扑优化软件来建筑设计技能。拓扑优化的概念和自然形态进化的灵感将贯穿于建筑的找形过程中。学生们将通过个人或两人组的方式完成空间结构找形，优化设计及建筑表皮设计。通过本次教学，学员们将学会做建筑结构拓扑优化找形的方法，同时也会通过生成设计和结构优化的思路，完成一系列的数字化建模和3D打印并参与现场装置拼装。

成果

在工作营中，学生将学习到基于BESO方法进行结构找形的基本方法和策略;使用最新的Ameba 2.0进行轻量化空间结构设计及其制造方法研究；协助指导教师在同济校园搭建实体展馆/装置，搭建实体和虚拟展览。 

所需技能

Rhino高级技能和Grasshopper中等技能

所需软件

Rhino, Grasshopper, Ameba, ZBrush, 渲染软件, Adobe PS, AI & ID

所需硬件

PC (windows系统)

人数限制

线下25人 

日程安排

DAY 1

2023/6/25 

上午：谢亿民教授、鲍鼎文博士、严鑫博士讲座；下午：BESO方法的基本理论和Ameba教程 

DAY 2

2023/6/26 

上午：Ameba的找形和建模练习；下午：评审和指导设计练习 

DAY 3

2023/6/27 

上午：Ameba的找形和建模练习；下午：学生协助导师组装展馆/装置 

DAY 4

2023/6/28 

上午：评审和指导设计练习 下午：学生协助导师组装展馆/装置 

DAY 5

2023/6/29 

上午：评审和指导设计练习 下午：学生协助导师组装展馆/装置

DAY 6

2023/6/30 

上午：完成最终设计并准备展览;下午：学生协助导师完成展馆/装置

DAY 7

2023/7/1 

上午：成果汇报及评审;下午：闭幕式及展览开幕 

导师团队

谢亿民院士

XIE Yi Min (Mike)

澳大利亚工程院院士(ATSE)

皇家墨尔本理工大学(RMIT) 杰出教授

创新结构与材料中心创始人和主任

澳大利亚国家研究委员会桂冠教授

同济大学建筑与城市规划学院客座教授

南京阿米巴工程结构优化研究院创始人

·澳大利亚工程院院士、现任皇家墨尔本理工大学杰出教授，同济大学建筑与城市规划学院客座教授

·1984年本科毕业于上海交通大学工程力学系，跟随中国科学院钟万勰院士攻读硕士学位。1987年经中国科学院钱伟长院士推荐赴英国跟随英国皇家学会院士O. C. Zienkiewicz（辛克维奇）大师攻读博士学位

·1992年谢亿民率先提出“渐进结构优化法”（ESO），在国际结构优化设计领域和建筑设计领域造成了深远影响

·2002年被澳大利亚皇家墨尔本理工大学土木工程系聘为终身正教授及系主任，2011年当选澳大利亚工程院院士

·2017年荣获澳大利亚创新大奖 (Clunies Ross Innovation Award)和澳大利亚机械工程领域最高奖 — 米歇尔奖章(AGM Michell Medal)

·2019年6月被授予澳大利亚国家勋章（Member of the Order of Australia）。同年9月，他被澳大利亚科研基金委授予澳洲学术界至高无上的荣誉 — 澳大利亚桂冠教授（Australian Research Council Laureate Fellowship）

·2020年荣获维多利亚科学与创新奖（Victoria Prize for Science and Innovation）

·2021年荣获国际空间结构先锋奖 (Pioneers' Award for Spatial Structures)

·2022年荣获澳大利亚土木工程领域年度最高奖 (Sir John Holland Civil Engineering)

·2015年谢亿民院士创立了上海谢亿民结构设计事务所，· 2017年成立南京阿米巴工程结构优化研究院，带领他的团队致力于将其首创的渐进结构优化法以及他在结构设计领域多年的研究成果运用于工程实践，为客户提供新颖、高效且经济合理的结构方案，并利用3D打印等先进制造技术将结构方案付诸实施

·2023年国际薄壳与空间结构协会 (IASS) 国际会议 (墨尔本) 主办人及组委会联合主席 (Co-chair)

鲍鼎文博士

BAO Ding Wen (Nic)

皇家墨尔本理工大学(RMIT) 建筑与城市学院长聘助理教授、博士生导师

皇家墨尔本理工大学 (RMIT) 创新结构与材料中心核心成员、研究员

深圳大学新型仿生可持续海洋漂浮结构研究组客座教授

墨尔本大学仿生设计研究中心客座研究员

澳大利亚注册建筑师，美国注册建筑师, 英国皇家特许注册建筑师 

皇家墨尔本理工大学 (RMIT) 土木工程学和建筑学博士

·现任澳大利亚皇家墨尔本理工大学建筑与城市设计学院长聘助理教授、博士生导师及建筑科技课程主任，创新结构与材料中心 (CISM) 研究员，深圳大学新型仿生可持续海洋漂浮结构研究组客座教授，墨尔本大学仿生设计研究中心 (BioInspiration Hallmark Research Initiative) 客座研究员

·澳大利亚注册建筑师 (ARBV, RAIA)，英国皇家建筑师学会 (RIBA) 特许建筑师，美国注册建筑师 (NCARB)，澳大利亚注册建筑师协会 (AIA) 教育委员会和建筑科技委员会委员

·其致力于先进建筑设计、数字化建造、机械臂3D 打印、拓扑优化结合多智能体算法及仿生复杂形态的研究，总计发表40余篇学术论文，包括在国际会议、SCI文献和书籍章节

·澳大利亚 B&W 注册建筑设计事务所和 Wonderform (万象) 创始合伙人、首席建筑师；南京阿米巴工程结构优化研究院合伙人；FormX 智建科技创始人

·2012年本科毕业于皇家墨尔本理工大学建筑系，硕士毕业于墨尔本大学建筑学院，后获全额奖学金跟随澳大利亚工程院院士谢亿民教授在皇家墨尔本理工大学工程学院创新结构与材料中心 (CISM) 和建筑与城市设计学院攻读土木工程学和建筑学博士

·2013年至2018年期间曾全职就职于著名澳大利亚建筑事务所Billard Leece，Fender Katsalidis，Bates Smart等担任建筑师

·2015至2020年先后兼职任教于墨尔本大学、莫纳什大学、迪肯大学、同济大学等；2018年至2023年先后担任 DigitalFutures、SIGraDi、CAADRIA、IASS等国际工作营和大师班导师。

·2018年起担任同济大学组办的DigitalFutures国际会议协办人和论文审稿人；亚洲计算机辅助建筑设计学会 (CAADRIA) 委员会委员及颁奖委员会主席，并担任《Architectural Intelligence》和《Sustainable Structures》国际期刊的编委，CAADRIA，SimAUD，CAAD Futures，CDRF，IASS等国际会议的论文审稿人；并担任了第十三届园冶杯国际竞赛建筑专业评委会评委

·其作品相继在香港设计营商周 (BoDW)，西班牙巴塞罗那空间结构装置展 (IASS)、深圳/香港双城双年展 (UABB)、墨尔本设计周 (MDW)，维多利亚国立美术馆展 (NGV)、意大利威尼斯双年展和墨尔本艺术博览会 (MAF) 等展出

·多次受邀在香港中文大学、纽卡斯尔大学、新南威尔士大学、昆士兰大学、东南大学、清华大学、苏黎世理工大学、密西根大学和伦敦大学学院巴特莱特等建筑学院做讲座、担任评图嘉宾和博士答辩评委

·2019年荣获由中国航天科工集团主办的第三届结构优化设计暨增材制造大赛一等奖；2020年获得皇家墨尔本理工大学土木工程系最有影响力博士研究奖；2020年获得由国家增材制造创新中心举办的第五届中国（国际）3D打印大赛一等奖； 2021年获得Young CAADRIA青年研究奖、2021年皇家墨尔本理工大学（校级）最有影响力博士研究奖、2021年美国MUSE设计奖，2021年法国双面神 (GPDP) 国际设计大赛金奖， 2022年获亚太IAI设计奖和2023年意大利A‘Design设计奖等

严鑫博士

YAN Xin

清华大学未来实验室博士后研究员

皇家墨尔本理工大学 (RMIT) 创新结构与材料研究中心博士访问学者

皇家墨尔本理工大学 (RMIT) 建筑与城市设计学院客座设计课导师

中国科学院大学建筑学博士和硕士

中国科学技术大学理论与应用力学学士

·清华大学未来实验室 博士后研究员

·皇家墨尔本理工大学RMIT建筑系 客座设计课导师

·博士毕业于中国科学院大学建筑研究与设计中心；皇家墨尔本理工大学创新结构与材料研究中心 博士访问学者

·2013年毕业于中国科学技术大学理论与应用力学专业，后于2016年获中国科学院大学建筑研究与设计中心建筑与土木工程硕士学位

·其研究方向包括：基于结构性能的建筑找形设计算法研究、面向设计控制的建筑拓扑优化算法研究、基于中国传统模数建构的当代数字建筑转译设计方法、复杂建筑曲面的几何与施工优化、建筑结构技术史学研究、3D打印，机械臂智造和数字人文与城市等

·澳大利亚注册建筑设计事务所 (B&W) 担任建筑设计师、、FormX智能科技合伙人

·国际薄壳及空间结构协会IASS WG8会员、中国建筑学会科研建筑分会秘书

·2016-2022年中国科学院大学建筑研究与设计中心设计技术系列课程技术顾问 

·2017年中国高校竹设计建造大赛中央美术学院代表队技术顾问、校外建筑师 

·2015-2016年参展北京国际设计周

·2019-2022年同济DigitalFUTURES、2020-2022年CAADRIA工作营和2021年SIGraDi工作营导师

·担任同济大学组办的DigitalFutures国际会议论文审稿人

·其作品相继在北京国际设计周、上海数字未来展、西班牙巴塞罗那IASS空间结构装置展及墨尔本设计周展出 

·2019年10月荣获由中国航天科工集团主办的第三届结构优化设计暨增材制造大赛一等奖；2020年9月，获得由国家增材制造创新中心举办的第五届中国（国际）3D打印大赛一等奖；2021年获得MUSE国际设计奖, 2021年法国双面神 (GPDP) 国际设计大赛金奖和2022年获亚太IAI设计奖

助教团队

段成璧

DUAN Chengbi

中国矿业大学建筑学学士

中国矿业大学数字智能建造实验室成员

2021年数字未来工作营 Intelligent Form 学员

2020-2021连续两年获得东南  中国建筑新人赛Top 100

“中建海峡杯”第八届海峡两岸全国大学生实体建构大赛 金奖

IAF锋建筑节  2021年度学生佳作奖

2022年数字未来工作营 [Re] Forming助教

沈苏怡

SHEN Suyi

中国矿业大学建筑学学士及18级优秀新生

2021年数字未来工作营 Intelligent Form 学员

中国矿业大学数字智能建造实验室成员

“中建海峡杯”第八届海峡两岸大学生实体建构大赛 金奖

2022年数字未来工作营 [Re] Forming助教

冯卓远

FENG Zhuoyuan

苏州科技大学建筑学学士（优秀毕业生）

2021年数字未来工作营 Intelligent Form 助教

2020年数字未来工作营 Bio Form 学员

2022年数字未来工作营 [Re] Forming助教

合作企业

阿米巴工程结构优化研究院有限公司

Ameba Engineering Structure Optimisation Research Institute

南京阿米巴工程结构优化研究院有限公司（原谢亿民工程科技南京有限公司），成立于2017年8月4日，由结构优化领域的国际著名学者，澳大利亚工程院院士谢亿民教授领衔创立。核心团队有多名海归博士及国内著名高校博士、硕士。研究院专注于结构优化技术开发、增材制造技术应用与开发、新型材料研发，同时提供专业的3D打印服务。为深层次开拓行业领域，实现更优质的3D打印技术，公司致力于ESO/BESO拓扑优化技术深度应用，自主研发拓扑优化软件Ameba，为客户提供创新的“从设计到制造”的一体化解决方案。公司致力于结构优化技术的开发与应用，同时结合3D打印先进制造技术，为客户提供一体化的解决方案。目前公司拥有包括基于SLS（选择性激光烧结）、SLA（光固化成型）、DLP（数字光投影）等多项3D打印技术能力，并且重点布局热塑性聚氨酯类材料的打印应用以及孵化基于DLP技术齿科应用解决方案。自成立以来，研究院大力投入研发与创新，先后引进了一系列满足研发和生产所需的大型进口设备，形成与中国航发湖南动力研究所、湖南华曙高科、万华化学等大型企业的战略合作。

案例

作品设计师：王鼎明（2020年学员）

作品设计师：冯卓远、王泽熙、刘晨阳（2020年学员）

作品设计师：段成璧、沈苏怡（2021年学员）

作品设计师：侯百阳、朱思凌、颜赵祎（2022年学员）

过往案例

1. X-Form 1.0 Pavilion Design

X-Form 1.0的整体尺寸为2m*2m*2.5m, 整体结构的镂空平板顶面由4个对称的树状结构支撑。基于BESO拓扑优化算法，这些结构可以轻易地从一个顶面设有均匀压力、底角固定的立方体逐步削减和重新分布材料得到，其形态酷似高迪的圣家族大教堂内部的树形柱。此项目通过大型机械臂制造应用打印制造，未来有很大潜力应用于建筑结构设计和施工领域。

2019年上海同济大学数字未来展

作品设计作者和版权：鲍鼎文、严鑫和谢亿民 

2. X-Form 2.0 Pavilion Design

X-Form 2.0是X-Form 1.0的升级作品，在前作的基础上进一步扩大了整体尺寸，达到了3.5m*2.5m*3.5m，同时屋顶也由原来的一整块平板变为了十二片位于不同高度的分离曲面。在施加于多片曲面屋顶的法向压力荷载的作用下，多簇树状结构从共同的底端生发出来。借助于改进的BESO算法，可以将屋顶曲面设置为软性材料，从而使得树状结构出现了多级分支，并且更能有效控制分支的生成逻辑，增加了整体结构的美观性。

2019年巴塞罗那IASS空间结构装置展

作品设计作者和版权：鲍鼎文、严鑫和谢亿民 

3. Intelligent Form Architectural Design

Intelligent Form 项目融合数字设计与智能建造理念，采用前沿拓扑优化算法，兼顾材料最优分布、结构最佳性、自然有机形态，实现建筑形态与结构性能的协调统一。通过结合数字化增材制造与喷射超高性能混凝土（UHPC）工艺，实现了有机曲面外形的制造。增材制造模具以PETG树脂材料作为模具原料，一次打印成型。相比传统工艺，大幅降低了模具的平均使用成本，并显著提高模具制作效率与质量。采用高性能材料UHPC喷射成型的工艺完成产品的生产制造，使用智能喷射工作站将UHPC喷射于模具表面，逐层堆积成型，最终实现了复杂形态装置墙从三维模型到建筑实体的制造。此设计和制造方法给出了先进技术与工艺的解决方案，未来可产生良好的经济与社会效益。

2021年上海同济大学数字未来展

作品设计作者和版权：鲍鼎文、严鑫、谢亿民、邱崴和彭佳男 

4. Weaving Tectonics Pavilion

Weaving Tectonics 的整体尺寸为5.5m*4.2m*2.4m, 此项目由自适应机器人缠绕系统制造的编制面模块拼接而成。基于拓扑优化分析而得到的空间结构造型，依照实际建造中的环境约束对其进行划分，并利用稳定的C型壳体结构替代其中的模块单元。其C型单元设计由玻璃纤维塑形，同时用碳纤维在表面进行增强。利用参数化工具将得到的优化模式转化成碳纤维的分布情况，从而很好地实现了结构的形与力统一，使得其壳体模式更加地结构合理化。未来可升级为更大尺度的房屋组件，为未来建筑业带来新的价值与可能性。

2022年墨尔本设计周

作品设计作者和版权：鲍鼎文、罗丹、辛卓阳、严鑫

5. Remnants of A Future Architecture Installation

Remnants of A Future Architecture的整体尺寸为2.5m*1.5m*2.2m, 此项目为建筑艺术品, 其设计理念在于未来建筑的形态发展，融合了艺术美感、结构性能、智能科技等元素为一体，其夸张形态的呈现展示了数字设计和3D打印在建筑上的优势。其使用了金属打印工艺的电弧增材制造（WAAM）技术，完美的展现了3D金属打印技术在复杂建筑结构形态上的应用。此新兴工业机器人结合3D金属打印技术是由皇家墨尔本理工大学建筑学院 Tectonic Formation Lab 和 FormX 智建科技共同研发。

2022年墨尔本艺术博览会

作品设计作者和版权：Roland Snooks & 鲍鼎文 Nic Bao 

加入工作营咨询群

正式注册工作营请前往：

https://www.digitalfutures.world/workshops/167.html

Workshop Admission

Emerging Form: Design and Fabrication Based on Topology Optimisation

Digital Design & Fabrication | Physical Workshop | EN/CN

TOPIC

Since the introduction of computational-aided design technology into the architectural design at the end of the 20th century, human beings have gained form-finding capacity with more freedoms and creativities. In recent years, along with the completion of some architectural projects with organic and intricate forms, a new question has been raised: Can architects use the “morphological evolution” method to intelligently generate emerging architectural forms inspired by the same way nature does?

Fortunately, the topic in the structural field, named topology optimisation, creates the possibility of this strategy. The strategy aims to find the solution with the highest structural performance under certain material limitations by removing or adding material elements step by step. The cutting-edge method founded by Mike Xie, BESO, has been approved through the evolutionary simulation of the hanging apply shape and Passion Façade of the Sagrada Familia church by Mike Xie & Mark Burry 15 years ago. 

Thus, this kind of new approach to generative architectural design will be introduced in the workshop. Students will be trained to develop their architectural design skills by applying the topological optimisation (BESO) software called Ameba. The concept of topological optimisation and the inspiration of natural morphological evolution will be run through architectural form-finding. Students will be required to complete a series of architecture/architectural components design and optimisation individually or in pairs.

CONTENT

During the workshop, students are expected to gain knowledge of basic methods and strategies for form-finding by the BESO method; research on the lightweight spatial structure design and its method of fabrication; experiment on designing and optimisation of spatial structures by using the newest Ameba 2.0; assist instructors in building up the physical pavilion/installation in Tongji campus and set up the exhibition physically and virtually.

REQUIRED SKILLS

Advanced Rhino, Intermediate Grasshopper

REQUIRED SOFTWARE

Rhino, Grasshopper, Ameba, ZBrush, Rendering software,Adobe PS, AI & ID

REQUIRED HARDWARE

PC (windows system)

NUMBER OF PARTICIPANTS

Maximum number of participating students: 25

Schedule

DAY 1

2023/6/25 

Morning: Lectures by Professor Mike Xie, Dr Nic Bao & Dr Xin Yan; Afternoon: Basic Theory of BESO method and Ameba tutorials

DAY 2

2023/6/26 

Morning: Ameba form-finding & modelling exercise;Afternoon: Review & develop the design exercise

DAY 3

2023/6/27 

Morning: Ameba form-finding & modelling exercise;Afternoon: Review & develop the design exercise

DAY 4

2023/6/28 

Morning: Review & develop the design exercise

Afternoon: Students assist instructors in assembling pavilion/installation

DAY 5

2023/6/29 

Morning: Review & develop the design exercise;Afternoon: Students assist instructors in assembling pavilion/installation

DAY 6

2023/6/30 

Morning: Finalise final design and prepare exhibition;Afternoon: Students assist instructors in completing pavilion/installation

DAY 7

2023/7/1 

Morning: Final Presentation and Review;Afternoon: Closing Ceremony & Exhibition Opening 

加入工作营

 Join Us

更多工作营信息可访问：

www.digitalfutures.world/

www.digitalfutures.international/