為研究而生的建筑
——蘇黎世聯邦理工學院建科館

1 西南側外景，舊系館與建科館通過一條空中廊道相連

蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zürich）建筑系位于距蘇黎世市中心半小時車程的H?nggerberg校區(qū)，建在一片開闊的高地上。建筑系大部分研究所都在一座原有的教學樓中。而在舊系館的一側，新建了一座輕盈的木屋頂建筑，通過一段空中連廊與舊系館相通。這座名為“建科館”（Arch_Tech_Lab）的建筑供建筑技術研究所使用，是該研究所的成員們從2010年起設計，并于2016年建成的。它不僅為研究提供空間，其本身也是研究的一部分，是一座為研究而生的建筑。

跨學科的理念

蘇黎世聯邦理工學院建筑系是歐洲最重要的建筑學院之一，以高水準的教學和研究著稱。其建筑教育受益于學術傳授和建造實踐之間的密切互補。而研究則主要關注廣義的建筑環(huán)境問題，尤其是未來城市、能源、氣候變化以及可持續(xù)等課題。

該校建筑系的研究實現了真正的跨學科，他們根據提出的觀點和問題，積極調用來自社會科學、人文學科、工程學、材料學、空間科學的獨特或互補的方法論。而這些領域的專業(yè)知識則分布于建筑系的幾個研究所之中，分別是建筑歷史與理論研究所、建筑科技研究所、歷史建筑保護研究所，以及網絡城市與景觀研究所。它們全都通過跨學科的工作與建筑設計工作室緊密聯系在一起。

建筑技術研究所涵蓋了建筑系所有的工藝技術領域，包括建造流程、數字制造、計算機輔助設計、結構設計、建筑系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)，以及與能源和數字建造技術相關的一切。這些都與設計密切相關，可以說在很大程度上圍繞設計展開。同時，嚴酷的經濟條件引發(fā)對生態(tài)與可持續(xù)建造的呼吁，促使人們提出新的設計和建造方法。因此，在建筑技術研究所，關于建造的產品、技術和方法都被探索，以

2 總平面（? ITA/Arch-Tec-Lab AG）

項目信息

業(yè)主：蘇黎世聯邦理工學院

使用者：建筑技術研究所、蘇黎世聯邦理工學院、國家數字制造研究中心

參與的教授：

建筑、建造流程、協調：Sacha Menz（建筑與建造流程負責人）

木屋頂及機器人建造實驗室：Fabio Gramazio,Matthias Kohler（建筑與數字制造負責人）

承重結構：Joseph Schwartz（結構設計負責人）

參數設計：Ludger Hovestadt（計算機輔助設計負責人）

建筑物理及聲學：Jan Carmeliet（建筑物理負責人）

零排放概念：Hansjürg Leibundgut（建筑系統(tǒng)負責人）

參與的專家策劃者：

協調：Guido Züger, Institute for Technology in Architecture (ITA), Arch_Tec_Lab AG since 2014

木屋頂：C h a i r o f A r c h i t e c t u r e a n d Digital Fabrication, Arch_Tec_Lab AG, Dr.Lüchinger+Meyer AG, SJB Kempter Fitze AG,ROB Technologies AG, ERNE AG Holzbau

機器人制造實驗室：Chair of Architecture and Digital Fabrication, Güdel AG, ABB Schweiz AG

承重結構：Dr. Lüchinger+Meyer AG

HVAC設計：Amstein+Walthert AG

BIM合作：Arch_Tec_Lab AG, Guido Züger and Odilo Schoch

承建方：HRS Real Estate AG

功能：機器人制造實驗室、辦公室、共享合作空間、研討會教室、公共區(qū)域

能源標準：零排放

建筑等級：配有實驗室的研究機構

建筑體積（SIA 416）：37,900m3

總建筑面積：6900m2

室內凈面積：4850m2

層數：4

初步設計：2010

開工時間：2014.7

竣工時間：2016.7

搬入時間：2016.9

設計與建造費用：CHF 38,000,000在能源和材料的應用上實現可持續(xù)。

3 教授層，帶有小廣場和周邊一圈的陳列室

4 教授層的會議室（1,3,4 ? Andrea Diglas / ITA/Arch-Tec-Lab AG）

5 曲面木屋頂覆蓋在整個建筑上

6 從主入口通往教授層的主樓梯（5,6 ? Andrea Diglas / ITA/Arch-Tec-Lab AG）

關于建造的研究

建筑技術研究所的負責人們認為，研究的內容也需要通過建筑來展示，而建科館就是其中的成果之一。因此這座建筑十分特殊，它代表了建筑技術研究所的研究方向，展現出數字化是如何幫助實現一種高效、集約、零排放的建造。

這項龐大的數字設計方案和建造過程一共花費了6年時間。而建筑技術研究所的6位負責人全都參與到其中，集合了他們各自的研究方法，包括建筑、土木工程、設備工程、建造物理等學科，共同發(fā)展出一個全新的建筑原型。

在設計建科館時，建筑科技研究所的教授們受到了以下假設的啟發(fā)：

·建造過程中的數字化和對機器人的使用，意味著未來建筑工業(yè)改革的基礎；

·“零排放建筑”可以通過隔間化的、去中心化的系統(tǒng)得以實現；

·沒有中心支撐結構的建筑不僅能提供自由的使用空間，還可以靈活應對未來的使用變化；

·對原有建筑的維護和空間上的疊加/擴增，使得已使用資源得以保留，并且會帶來長遠的附加值；

·由于他們的研究是跨學科的，所以用于某個特定功能的最小空間也可以為自由組合的研究小組和內部交流創(chuàng)造場地。

這座新的建筑將在數字化的、以過程為導向的建造體系下，在建筑工業(yè)的革新過程中，作為一種可能的新型建筑系統(tǒng)被導入。它提高了H?nggerberg校區(qū)的原有建筑密度，并且保護它們不被拆除，也不使用額外的土地資源。而其特殊結構的、數字化制造的木屋頂設計，以及開放而自由的平面布局，都將使其從傳統(tǒng)大學建筑中脫穎而出。

輕量的木和鋼

建科館建在H?nggerberg校區(qū)的一個1970年代停車場的屋頂上。這是建科館的整體結構、鋼架和所有構件都盡可能輕的原因。

為了能在原有結構上建造，科學家們集中力量研究輕量建造技術，以及有意識地使用較少的體量。和材料重達400kg/m3的傳統(tǒng)高層建筑不同，建科館平均重量僅有240kg/m3。他們選用木材來建屋頂，用鋼作為建筑的承重體系，是因為這些材料具有理想的剛度重量比。此外，鋼結構意味著不需要結構核心筒或通風井，既能靈活應用，也使室內設計可以自由適應需求的變化。

一個復雜屋頂結構的數字裝配

建科館由一種新的木結構屋頂覆蓋。其本身就是一項研究，僅由一個臺架式機器人制作，由建筑與數字制造學科的負責人設計和策劃，并且由專業(yè)策劃師和負責執(zhí)行這個項目的ERNE AG Holzbau公司共同監(jiān)督和制造。這個全數字策劃方案與設計、結構分析和整體制造數據都相關聯?；谶@個數據庫，機器人將48,624根木條一根一根組裝成桁構架的裝配過程，使得一個復雜的屋頂幾何體可以被高效地制造出來。

屋頂結構由168根獨立的桁架組成，它們被編織入一個自由形式的屋頂中。木條最長達3.1m，而屋頂結構具有長達15m的跨度。連續(xù)相接的、由機器人裝配的固定桁架將荷載傳到鋼梁上的5塊板上，并且將防火和照明都整合于其中。這個桁架具有優(yōu)美的結構，沒有任何覆層，以一個獨立的形象出現。它支撐起面積約2300m2的屋頂，伴隨著優(yōu)雅的波動，以及變幻的透射光線，在建科館開敞的上層輕輕拱起。

“約5萬個小木構件帶來了大量的接頭，這很難由手工完成。誰也不可能坐在那里， 釘10萬個接頭，將5萬個木構件連成一體。”建筑技術研究所所長阿爾諾·施呂特（Arno Schlüter）認為，這座建筑體現了他們的理念——如何將機器人用于建筑。

7 教授層平面1-NCCR行政辦公室2-數字建造技術3-機器人系統(tǒng)4-建筑技術研究所行政辦公室5-計算機輔助設計6-建筑與建造系統(tǒng)7-結構設計8-建筑與建造流程9-建筑物理10-建筑與數字制造11-建筑與結構

8. 學生層平面

9 橫剖面

瑞士有著獨特而出色的建造工業(yè)。與建筑技術研究所一起合作的ERNE AG Holzbau公司就是瑞士的一家木建筑公司。他們擁有巨大的機器人系統(tǒng)，能夠自行組裝構件，同時還有完整的數字模型，為組裝提供依據。負責制造的機器人有不同的工具組合——鋸、錘、釘，還能進行安裝。這就為制造接頭提供了多種方法。如果人們以手工制造接頭，是無法算出要在哪里下釘的——依賴的條件過多。但可以采用算法，用計算機編程輔助來決定最佳的下釘位置，然后機器人就能自動執(zhí)行——在這里的車床上按邊緣切割、按構件切割……對機器人來說構件之間沒有區(qū)別，無論是直線形還是異型。構件制成之后會被帶到工地，在現場組裝。

10 縱剖面（7-10 ? ITA/Arch-Tec-Lab AG）

這個項目展現出將數字制造技術與一種本地的可持續(xù)建筑材料木材相結合的潛力。通過與學術專家以及實踐工程師合作，教授們在數字木材建造領域的研究成果得以獲得提煉，并應用于完全的建筑尺度。

11-13 搬入后內景（11-13 攝影：辛夢瑤）

能源與可持續(xù)

蘇黎世聯邦理工學院的科學家們試圖盡可能少地使用資源，不僅僅在設計和建造階段——建科館還應該在使用者搬進去并開始工作后，以零排放的方式運轉。在蘇黎世聯邦理工學院，零排放技術是從2010年起開始發(fā)展的，并被建筑設備技術專業(yè)引入和應用。

由蘇黎世聯邦理工學院研發(fā)的零排放技術的理念是采用外部儲熱。因此，建科館沒有外部遮陽系統(tǒng)。施呂特教授解釋道，“有人說這是一個玻璃盒子，在夏天會很熱，讓人不舒適。然而，我們在這座建筑中應用了地下儲熱。在夏季，我們提取出空間內的熱量并儲存于地下，等到了冬季再通過高效的機器將其取出用于供暖。因此，這是一種熱量與建筑之間的平衡?！?/p>

H?nggerberg校區(qū)擁有一個允許所有建筑排掉廢熱的網絡，這是一種分配熱量的獨特方式。施呂特教授說，“想象一個物理實驗室里有巨大的機器，產生了大量廢熱。然后這些廢熱會進行循環(huán)，我們就再去找對這些廢熱有興趣的人?！痹诓煌募竟?jié)之間儲熱，需要組合各種儲熱點，而每個儲熱點都有200個地下熱交換器。這種新的儲熱方式使人們能平衡各個建筑以及不同季節(jié)之間的熱量和能源。

這種分配熱量的方式還有另一個獨特之處，就是它的裝置。這個優(yōu)美的屋頂下面假如布滿了通風管道和換氣系統(tǒng)，那情形大概令人難以容忍。這就是建科館選擇截然不同的建筑換氣方式的理由。設置在這座建筑的雙層結構中的是200個通風單元，叫“空氣盒”，環(huán)繞著整座建筑，并與H?nggerberg校區(qū)的能源網相連。從室外打開立面上的抽匣就可以看到這些通風單元?！翱諝夂小蹦艽_保整座建筑擁有適宜的通風，也能制冷制熱。所有的新風都在一個地板系統(tǒng)中循環(huán)，并通過在地板通風口上形成微小的正壓而將空氣引入室內。因此，這座建筑里沒有巨大的終端裝置和管道，它非常簡約、輕巧。然而同時，建筑內的一切也都暴露在外。兩層的空間容納了整個管道系統(tǒng)，所有管道都可以被看到，沒有掩蓋在任何假吊頂的下面。每種介質，水、電、氣，都在那些電纜和管道中，一切都一目了然。

這些設備需要具有一定水平的工程技術才能進行精細施工，從而實現設計。這也展現出建筑科技研究所在基礎設施方面所做的工作。對人類資源及基礎設施學院副院長烏爾里?！の旱侣║lrich Weidmann）而言，建科館是一次重大的前進。他說：“蘇黎世聯邦理工學院的科學家們正通過不斷革新來解決基礎設施難題。以建科館為例，他們證明了集約的建筑設計和精致的建筑文化之間并不彼此排斥。他們也因此致力于可持續(xù)的土地利用，處于蘇黎世聯邦理工學院校園中的我們正從中獲益?！?/p>

共享與合作空間

蘇黎世聯邦理工學院的科學家們熱衷于追求合作的方法，他們因此也為建科館選擇了這種空間——沒有獨立的辦公室，這意味著會有更多公共區(qū)域被用于各種規(guī)模的小組。建筑的上部共兩層，大部分教授都在下層的室內玻璃墻區(qū)域工作，還有博士后、高級研究人員，以及各個教授的學生，上層則是用于博士生和碩士生。在這個新館里，每個人的空間都比之前要小，但卻可以使用一個更大的共享空間。這里可以舉辦講座，進行評圖和展示，所以是名副其實地同在一個屋檐下。

機器人制造實驗室

位于地面層上的機器人制造實驗室（Robotic Fabrication Laboratory, RFl）由建筑與數字制造的負責人和Gramazio Kohler研發(fā)公司共同發(fā)起和策劃，這再次證明了建科館的空間方式如何為跨學科的建造實驗創(chuàng)造新空間。機器人制造實驗室是一個全球化的獨特的數字建造環(huán)境，供國際上機器人制造及建造領域最前沿的研究使用；并且這里擁有真實世界的條件，能夠以1∶1的比例進行實驗。它是建科館的一個不可或缺的部分，從2016年10月開始全面運行。

在這個實驗室，一個綜合的機器人系統(tǒng)使得大規(guī)模的建造項目得以執(zhí)行。它的獨特之處在于機器人軌道，即一個裝在天花板上的可在空中移動的臺架系統(tǒng)，以及4臺機器人。每個機器人有兩個機器臂，能建造和組裝實際大小的原型和建筑構件，4臺一起可以在一個最大體積為43m×16m×8m的空間內，在6根軸線方向上同時工作并互相配合。該實驗室的靈活且可擴展的配置使得不同類型的建筑以及建造實驗能在各種尺度下進行。同時，它還能夠模擬機器人制造和人機結合在現場的合作，以及基于工廠的自動化數字制造過程。除了建筑領域的核心研究，機器人制造實驗室還面向其他學科提供實驗平臺，可以進行依賴數字控制的空間應用研究項目。

建筑技術研究所在這個實驗室中進行許多的測試，例如對薄殼屋頂結構的測試等。同時，這里也為國家數字制造研究中心（National Centre of Competence in Research, NCCR）提供服務，有大約50～60名研究者在研究建筑的數字制造，從結構到現場機器人，從自動化挖掘到結構設計。例如，一種能在現場填充混凝土墻的機器人系統(tǒng)使機器人可以旋轉、抓取不同的構件，并根據定位系統(tǒng)在現場進行組裝。此外，研究人員還在下方腳手架上進行結構應用的測試。一旦腳手架搭好，就可以制作既輕且薄的混凝土結構，用極少的混凝土實現很大的跨度。實驗室內還設有3D打印設施，在數字制造方面，建筑師本亞明·迪倫貝格爾（Benjamin Dillenburger）的研究達到了前所未有的精度，能用大型打印設備以極高的精度打印實際大小的建筑物。它為建筑構件的細節(jié)和造型帶來了無限可能，并提供了空前的功能特性。在蓬皮杜中心的一次展覽中，建筑技術研究所首次以實際大小展示了這項技術——一種帶機器人的可調節(jié)立面，能通過調節(jié)控制日照，從而在供暖和制冷時節(jié)約能源，同時也滿足用戶的舒適度。

14 屋頂現場安裝

15-16 屋頂在ERNE公司的制作（14-16 ? Gramazio Kohler Research, ETH Zurich）

17 機器人制作實驗室內景

18 帶有兩個機械臂的機器人（17,18 ? Andrea Diglas / ITA/Arch-Tec-Lab AG）

19 機器人實驗室剖面

20 機器人實驗室內的臺架軸測示意圖（19,20 ? Gramazio Kohler Research, ETH Zurich）

21-22 機器人制造的結構模型（21,22 攝影：辛夢瑤）

從2010年起，建筑技術研究所在新加坡建立了“未來城市實驗室”，研究熱帶地區(qū)的零排放、零能耗高層建筑等內容，并提出了關于適應氣候、建筑降溫、產生能源等截然不同的理念。同時，他們也通過這個實驗室在城市尺度上思考如何給未來的城市提供能源系統(tǒng)，如何實現建筑與城市設計之間的互動等問題。

建筑技術研究所前任所長沙哈·門茨（Sacha Menz）促成了建科館的誕生，在他看來，這座建筑實現了未來高科技建造和新型合作的雙重圖景。他說：“建科館是用于研究建造的，而這不能在封閉的環(huán)境下進行。我們試圖打破學科間的壁壘，轉而在建筑科技研究所內進行緊密的跨學科合作?！?/p>

建科館里還有很多問題在等著被解決，它可以被視為一間擁有真實世界條件的實驗室，研究者和他們的學生可以在其中持續(xù)不斷地嘗試新的課題，并在現場測試解決策略。他們的發(fā)現將直接使建造領域受益，以及從根本上造福于整個社會?！酰ū疚母鶕栔Z·施呂特教授于2018年2月26日在建科館的講座，以及ETH官方網站的資料整理而成；講座內容由尚晉翻譯。）