结构分析

论文《数字化升级：通过数字化策略将废木材转化为可再生建筑材料》，由 Erik Zanetti 等人于 2025 年发表。探讨了如何利用数字技术，尤其是计算设计和制造方法，将废木材重新利用为新型建筑构件，并提出了一个系统的工作流程以实现循环经济目标。

一、主要工作思路

该研究的核心是延长废木材的生命周期，特别是小块废木材（如边角料）。传统的回收方式（如焚烧或制作刨花板）属于降级回收，无法充分利用材料的结构性能。因此，研究提出了一种“数字升级再造”策略，旨在：

• 将废木材视为宝贵的资源；
• 利用数字工具管理其几何复杂性和材料变异性；
• 通过自下而上的计算设计方法聚合废木块，形成具有结构性能的建筑组件；
• 实现无胶连接，避免粘合剂带来的环境问题；
• 探索材料美学与功能性结合的可能性。

研究强调从材料采购 → 数字化 → 设计 → 结构分析 → 制造 → 安装的完整闭环流程，推动建筑行业向可持续和数字化转型。

二、技术路线

1. 材料数字化

• 使用红外3D扫描和正交视频捕捉废木材的形状；
• 采用图像识别（如 Google Teachable Machine）对材料进行分类和标记；
• 建立数字库存数据库，记录每块木材的几何信息、纤维方向、缺陷等。

2. 自下而上的计算设计

• 采用“按可用性设计”的方法，即从现有材料出发进行聚合设计；
• 定义边界体积和聚合规则（如层压方向、密度、互锁形式）；
• 进行二维/三维聚合模拟，探索不同参数组合下的结构表现；
• 利用迭代算法生成多种设计方案，并通过结构性能、重量、钉子数量、美学等标准筛选最优解。

3. 结构冗余设计

• 针对废木材性能不确定的问题，提出“冗余设计”策略；
• 通过去除部分木材模拟结构失效，验证整体系统的稳定性；
• 可结合AI视觉分级模型（如EN 14081-1标准）自动识别低强度木材并优化布局。

4. 数字制造与安装

• 使用增强现实（AR）辅助装配；
• 气动射钉枪和机器人自动榫接工艺；
• 实现模块化制造和现场快速组装；
• 填充泥土等天然材料形成混合结构，提升功能性和可持续性。

三、创新点

1. 废木材的升级再造而非降级回收

• 不再将废木材粉碎成颗粒或用于能源回收，而是通过聚合形成新的结构性构件；
• 保留木材的原有纤维取向和结构特性，提高材料利用率。

2. 自下而上的计算设计方法

• 与传统“自上而下”的标准化设计不同，本研究从材料出发，利用算法驱动设计；
• 引入类似“垃圾箱打包问题”的算法逻辑，适应非标准输入；
• 支持多样化、异质化的材料整合。

3. 多学科融合的数字闭环流程

• 整合建筑学、结构工程、计算机科学、机器人制造等多个领域；
• 构建完整的从数字化到制造的闭环流程；
• 提出可扩展的工业实施路径，包括自动化分拣、智能制造、产品生命周期管理。

4. 材料表达与美学价值的挖掘

• 将废木材的不规则性转化为美学特征；
• 探索结构图案、纹理变化、声学性能等功能性表达；
• 形成独特的建筑语言，提升公众接受度。

四、取得的成果

1. 多个原型开发与测试

• 共开发了五个原型，逐步验证从概念到实际应用的可行性：
• 原型1~3：初步探索墙体、柱梁系统、楼板系统；
• 原型4：深入研究参数化设计与聚合规则；
• 原型5：全尺寸展示器（1:1比例），用于多层木结构楼板系统。

2. 成功应用于实际案例

• 最终楼板原型由780块木材组成，尺寸为1.25m×2.5m，高度可达45cm；
• 采用AR辅助制造，气动钉接和机器人装配；
• 在音乐节临时建筑中进行了三点弯曲测试，验证结构安全性；
• 后续将进行破坏性测试以评估长期性能。

3. 构建了完整的数字工作流程

• 包括材料数字化、聚合设计、结构分析、制造执行、安装与测试；
• 提出了可扩展的工业化实施路径，支持未来大规模推广；
• 推动建筑行业向低碳、数字化、循环型方向发展。

4. 提出未来研究方向

• 数据驱动的结构优化；
• AI在材料分级与设计中的集成；
• 工业合作伙伴协同推进标准化与规模化；
• 探索漏斗式研发方法的反向应用，以适应更广泛的废料类型。

论文通过数字化升级再造的方法，成功将废木材转化为具有结构性能和美学价值的建筑构件。它不仅解决了传统回收方式的局限性，还构建了一个跨学科、全流程、可扩展的数字建造平台，为建筑行业的可持续发展提供了切实可行的技术路径。

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