1 西南側(cè)外景，舊系館與建科館通過一條空中廊道相連

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)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(xué)樓中。而在舊系館的一側(cè)，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(shù)研究所使用，是該研究所的成員們從2010年起設(shè)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(xué)科的理念

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院建筑系是歐洲最重要的建筑學(xué)院之一，以高水準(zhǔn)的教學(xué)和研究著稱。其建筑教育受益于學(xué)術(shù)傳授和建造實(shí)踐之間的密切互補(bǔ)。而研究則主要關(guān)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(shí)現(xiàn)了真正的跨學(xué)科，他們根據(jù)提出的觀點(diǎn)和問題，積極調(diào)用來自社會科學(xué)、人文學(xué)科、工程學(xué)、材料學(xué)、空間科學(xué)的獨(dú)特或互補(bǔ)的方法論。而這些領(lǐng)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(hù)研究所，以及網(wǎng)絡(luò)城市與景觀研究所。它們?nèi)纪ㄟ^跨學(xué)科的工作與建筑設(shè)計工作室緊密聯(lián)系在一起。

建筑技術(shù)研究所涵蓋了建筑系所有的工藝技術(shù)領(lǐng)域，包括建造流程、數(shù)字制造、計算機(jī)輔助設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、建筑系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)，以及與能源和數(shù)字建造技術(shù)相關(guān)的一切。這些都與設(shè)計密切相關(guān)，可以說在很大程度上圍繞設(shè)計展開。同時，嚴(yán)酷的經(jīng)濟(jì)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(shè)計和建造方法。因此，在建筑技術(shù)研究所，關(guān)于建造的產(chǎn)品、技術(shù)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(lián)邦理工學(xué)院

使用者：建筑技術(shù)研究所、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、國家數(shù)字制造研究中心

參與的教授：

建筑、建造流程、協(xié)調(diào)：Sacha Menz（建筑與建造流程負(fù)責(zé)人）

木屋頂及機(jī)器人建造實(shí)驗(yàn)室：Fabio Gramazio,Matthias Kohler（建筑與數(shù)字制造負(fù)責(zé)人）

承重結(jié)構(gòu)：Joseph Schwartz（結(jié)構(gòu)設(shè)計負(fù)責(zé)人）

參數(shù)設(shè)計：Ludger Hovestadt（計算機(jī)輔助設(shè)計負(fù)責(zé)人）

建筑物理及聲學(xué)：Jan Carmeliet（建筑物理負(fù)責(zé)人）

零排放概念：Hansjürg Leibundgut（建筑系統(tǒng)負(fù)責(zé)人）

參與的專家策劃者：

協(xié)調(diào)：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(jī)器人制造實(shí)驗(yàn)室：Chair of Architecture and Digital Fabrication, Güdel AG, ABB Schweiz AG

承重結(jié)構(gòu)：Dr. Lüchinger+Meyer AG

HVAC設(shè)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(jī)器人制造實(shí)驗(yàn)室、辦公室、共享合作空間、研討會教室、公共區(qū)域

能源標(biāo)準(zhǔn)：零排放

建筑等級：配有實(shí)驗(yàn)室的研究機(jī)構(gòu)

建筑體積（SIA 416）：37,900m3

總建筑面積：6900m2

室內(nèi)凈面積：4850m2

層數(shù)：4

初步設(shè)計：2010

開工時間：2014.7

竣工時間：2016.7

搬入時間：2016.9

設(shè)計與建造費(fèi)用：CHF 38,000,000在能源和材料的應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)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(guān)于建造的研究

建筑技術(shù)研究所的負(fù)責(zé)人們認(rèn)為，研究的內(nèi)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(shù)研究所的研究方向，展現(xiàn)出數(shù)字化是如何幫助實(shí)現(xiàn)一種高效、集約、零排放的建造。

這項龐大的數(shù)字設(shè)計方案和建造過程一共花費(fèi)了6年時間。而建筑技術(shù)研究所的6位負(fù)責(zé)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(shè)備工程、建造物理等學(xué)科，共同發(fā)展出一個全新的建筑原型。

在設(shè)計建科館時，建筑科技研究所的教授們受到了以下假設(shè)的啟發(fā)：

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

·“零排放建筑”可以通過隔間化的、去中心化的系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)；

·沒有中心支撐結(jié)構(gòu)的建筑不僅能提供自由的使用空間，還可以靈活應(yīng)對未來的使用變化；

·對原有建筑的維護(hù)和空間上的疊加/擴(kuò)增，使得已使用資源得以保留，并且會帶來長遠(yuǎn)的附加值；

·由于他們的研究是跨學(xué)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(nèi)部交流創(chuàng)造場地。

這座新的建筑將在數(shù)字化的、以過程為導(dǎo)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(dǎo)入。它提高了H?nggerberg校區(qū)的原有建筑密度，并且保護(hù)它們不被拆除，也不使用額外的土地資源。而其特殊結(jié)構(gòu)的、數(shù)字化制造的木屋頂設(shè)計，以及開放而自由的平面布局，都將使其從傳統(tǒng)大學(xué)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(jié)構(gòu)、鋼架和所有構(gòu)件都盡可能輕的原因。

為了能在原有結(jié)構(gòu)上建造，科學(xué)家們集中力量研究輕量建造技術(shù)，以及有意識地使用較少的體量。和材料重達(dá)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?yàn)檫@些材料具有理想的剛度重量比。此外，鋼結(jié)構(gòu)意味著不需要結(jié)構(gòu)核心筒或通風(fēng)井，既能靈活應(yīng)用，也使室內(nèi)設(shè)計可以自由適應(yīng)需求的變化。

一個復(fù)雜屋頂結(jié)構(gòu)的數(shù)字裝配

建科館由一種新的木結(jié)構(gòu)屋頂覆蓋。其本身就是一項研究，僅由一個臺架式機(jī)器人制作，由建筑與數(shù)字制造學(xué)科的負(fù)責(zé)人設(shè)計和策劃，并且由專業(yè)策劃師和負(fù)責(zé)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(shù)字策劃方案與設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析和整體制造數(shù)據(jù)都相關(guān)聯(lián)?；谶@個數(shù)據(jù)庫，機(jī)器人將48,624根木條一根一根組裝成桁構(gòu)架的裝配過程，使得一個復(fù)雜的屋頂幾何體可以被高效地制造出來。

屋頂結(jié)構(gòu)由168根獨(dú)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(dá)3.1m，而屋頂結(jié)構(gòu)具有長達(dá)15m的跨度。連續(xù)相接的、由機(jī)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(jié)構(gòu)，沒有任何覆層，以一個獨(dú)立的形象出現(xiàn)。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(gòu)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(gòu)件連成一體。”建筑技術(shù)研究所所長阿爾諾·施呂特（Arno Schlüter）認(rèn)為，這座建筑體現(xiàn)了他們的理念——如何將機(jī)器人用于建筑。

7 教授層平面1-NCCR行政辦公室2-數(shù)字建造技術(shù)3-機(jī)器人系統(tǒng)4-建筑技術(shù)研究所行政辦公室5-計算機(jī)輔助設(shè)計6-建筑與建造系統(tǒng)7-結(jié)構(gòu)設(shè)計8-建筑與建造流程9-建筑物理10-建筑與數(shù)字制造11-建筑與結(jié)構(gòu)

8. 學(xué)生層平面

9 橫剖面

瑞士有著獨(dú)特而出色的建造工業(yè)。與建筑技術(shù)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(jī)器人系統(tǒng)，能夠自行組裝構(gòu)件，同時還有完整的數(shù)字模型，為組裝提供依據(jù)。負(fù)責(zé)制造的機(jī)器人有不同的工具組合——鋸、錘、釘，還能進(jìn)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?shù)摹蕾嚨臈l件過多。但可以采用算法，用計算機(jī)編程輔助來決定最佳的下釘位置，然后機(jī)器人就能自動執(zhí)行——在這里的車床上按邊緣切割、按構(gòu)件切割……對機(jī)器人來說構(gòu)件之間沒有區(qū)別，無論是直線形還是異型。構(gòu)件制成之后會被帶到工地，在現(xiàn)場組裝。

10 縱剖面（7-10 ? ITA/Arch-Tec-Lab AG）

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

11-13 搬入后內(nèi)景（11-13 攝影：辛夢瑤）

能源與可持續(xù)

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家們試圖盡可能少地使用資源，不僅僅在設(shè)計和建造階段——建科館還應(yīng)該在使用者搬進(jìn)去并開始工作后，以零排放的方式運(yùn)轉(zhuǎn)。在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院，零排放技術(shù)是從2010年起開始發(fā)展的，并被建筑設(shè)備技術(shù)專業(yè)引入和應(yīng)用。

由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研發(fā)的零排放技術(shù)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(yīng)用了地下儲熱。在夏季，我們提取出空間內(nèi)的熱量并儲存于地下，等到了冬季再通過高效的機(jī)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。”

H?nggerberg校區(qū)擁有一個允許所有建筑排掉廢熱的網(wǎng)絡(luò)，這是一種分配熱量的獨(dú)特方式。施呂特教授說，“想象一個物理實(shí)驗(yàn)室里有巨大的機(jī)器，產(chǎn)生了大量廢熱。然后這些廢熱會進(jìn)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(diǎn)，而每個儲熱點(diǎn)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(dú)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(fēng)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(shè)置在這座建筑的雙層結(jié)構(gòu)中的是200個通風(fēng)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(wǎng)相連。從室外打開立面上的抽匣就可以看到這些通風(fēng)單元?！翱諝夂小蹦艽_保整座建筑擁有適宜的通風(fēng)，也能制冷制熱。所有的新風(fēng)都在一個地板系統(tǒng)中循環(huán)，并通過在地板通風(fēng)口上形成微小的正壓而將空氣引入室內(nèi)。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(nèi)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?shù)南旅?。每種介質(zhì)，水、電、氣，都在那些電纜和管道中，一切都一目了然。

這些設(shè)備需要具有一定水平的工程技術(shù)才能進(jìn)行精細(xì)施工，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計。這也展現(xiàn)出建筑科技研究所在基礎(chǔ)設(shè)施方面所做的工作。對人類資源及基礎(chǔ)設(shè)施學(xué)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(jìn)。他說：“蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家們正通過不斷革新來解決基礎(chǔ)設(shè)施難題。以建科館為例，他們證明了集約的建筑設(shè)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(lián)邦理工學(xué)院校園中的我們正從中獲益。”

共享與合作空間

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)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(dú)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(nèi)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(xué)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(jìn)行評圖和展示，所以是名副其實(shí)地同在一個屋檐下。

機(jī)器人制造實(shí)驗(yàn)室

位于地面層上的機(jī)器人制造實(shí)驗(yàn)室（Robotic Fabrication Laboratory, RFl）由建筑與數(shù)字制造的負(fù)責(zé)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(xué)科的建造實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造新空間。機(jī)器人制造實(shí)驗(yàn)室是一個全球化的獨(dú)特的數(shù)字建造環(huán)境，供國際上機(jī)器人制造及建造領(lǐng)域最前沿的研究使用；并且這里擁有真實(shí)世界的條件，能夠以1∶1的比例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。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(yùn)行。

在這個實(shí)驗(yàn)室，一個綜合的機(jī)器人系統(tǒng)使得大規(guī)模的建造項目得以執(zhí)行。它的獨(dú)特之處在于機(jī)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(jī)器人。每個機(jī)器人有兩個機(jī)器臂，能建造和組裝實(shí)際大小的原型和建筑構(gòu)件，4臺一起可以在一個最大體積為43m×16m×8m的空間內(nèi)，在6根軸線方向上同時工作并互相配合。該實(shí)驗(yàn)室的靈活且可擴(kuò)展的配置使得不同類型的建筑以及建造實(shí)驗(yàn)?zāi)茉诟鞣N尺度下進(jìn)行。同時，它還能夠模擬機(jī)器人制造和人機(jī)結(jié)合在現(xiàn)場的合作，以及基于工廠的自動化數(shù)字制造過程。除了建筑領(lǐng)域的核心研究，機(jī)器人制造實(shí)驗(yàn)室還面向其他學(xué)科提供實(shí)驗(yàn)平臺，可以進(jìn)行依賴數(shù)字控制的空間應(yīng)用研究項目。

建筑技術(shù)研究所在這個實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行許多的測試，例如對薄殼屋頂結(jié)構(gòu)的測試等。同時，這里也為國家數(shù)字制造研究中心（National Centre of Competence in Research, NCCR）提供服務(wù)，有大約50～60名研究者在研究建筑的數(shù)字制造，從結(jié)構(gòu)到現(xiàn)場機(jī)器人，從自動化挖掘到結(jié)構(gòu)設(shè)計。例如，一種能在現(xiàn)場填充混凝土墻的機(jī)器人系統(tǒng)使機(jī)器人可以旋轉(zhuǎn)、抓取不同的構(gòu)件，并根據(jù)定位系統(tǒng)在現(xiàn)場進(jìn)行組裝。此外，研究人員還在下方腳手架上進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jié)構(gòu)，用極少的混凝土實(shí)現(xiàn)很大的跨度。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)還設(shè)有3D打印設(shè)施，在數(shù)字制造方面，建筑師本亞明·迪倫貝格爾（Benjamin Dillenburger）的研究達(dá)到了前所未有的精度，能用大型打印設(shè)備以極高的精度打印實(shí)際大小的建筑物。它為建筑構(gòu)件的細(xì)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(shù)研究所首次以實(shí)際大小展示了這項技術(shù)——一種帶機(jī)器人的可調(diào)節(jié)立面，能通過調(diào)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(xiàn)場安裝

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

17 機(jī)器人制作實(shí)驗(yàn)室內(nèi)景

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

19 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室剖面

20 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的臺架軸測示意圖（19,20 ? Gramazio Kohler Research, ETH Zurich）

21-22 機(jī)器人制造的結(jié)構(gòu)模型（21,22 攝影：辛夢瑤）

從2010年起，建筑技術(shù)研究所在新加坡建立了“未來城市實(shí)驗(yàn)室”，研究熱帶地區(qū)的零排放、零能耗高層建筑等內(nèi)容，并提出了關(guān)于適應(yīng)氣候、建筑降溫、產(chǎn)生能源等截然不同的理念。同時，他們也通過這個實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)建筑與城市設(shè)計之間的互動等問題。

建筑技術(shù)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(shí)現(xiàn)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(jìn)行。我們試圖打破學(xué)科間的壁壘，轉(zhuǎn)而在建筑科技研究所內(nèi)進(jìn)行緊密的跨學(xué)科合作。”

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(shí)世界條件的實(shí)驗(yàn)室，研究者和他們的學(xué)生可以在其中持續(xù)不斷地嘗試新的課題，并在現(xiàn)場測試解決策略。他們的發(fā)現(xiàn)將直接使建造領(lǐng)域受益，以及從根本上造福于整個社會。□（本文根據(jù)阿爾諾·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(wǎng)站的資料整理而成；講座內(nèi)容由尚晉翻譯。）