在一座住满了居民的未来派建筑中测试敏捷设计

一说到典型的实验室，您的脑海里会出现什么画面？您想到的可能是成排的烧杯、嗡嗡作响的机器和穿着白大褂的科学家在无菌环境中走来走去，并对他们的工作进行着一遍又一遍的测试。位于苏黎世的瑞士联邦材料科学与技术实验室的NEST（Next Evolution in Sustainable Building Technologies，可持续建筑技术的下一步演进）却与众不同：它看起来像一座未来派的住宅建筑，但实际上，整个建筑却是一个用于测试建筑材料和实践的研究平台。

在苏黎世工作的建筑师Fabio Gramazio说：“NEST实际上是一个颠倒了里外功能的实验室。实验活动是在外部进行的，而其独具特色的建筑立面却在内部。”

这个模块化研究和创新中心在不停地安装和更换新的住宅、办公室和研究单位，所以说，这座建筑物（至少是外壳）也一直都在变化之中。不过，在整个变化过程中，建筑物的核心却保持不变，该核心有一个中庭和共享空间，地下室有一套先进的原型能源和供水系统。

您如果快速看一眼公寓的门铃按钮，就会发现NEST不仅仅是一个实验室，这里还有一个实名列表：住在大楼里的学者名单。NEST的董事总经理Reto Largo介绍说：“和其他研究单位不同的是，我们在这里进行的研究是在真实条件下进行的，而不是在闭门造车。”

Largo来自IT领域，他的父亲是一名建筑承包商，因此他对施工建设和数字化这两个领域都比较熟悉，并致力于协调行业参与下的研究。NEST有160个合作伙伴，其中包括欧特克基金会和欧特克研究中心。他解释说：“我们的合作伙伴公司如果在实体经济中尝试新的技术，有较高的财务风险，而跟我们合作，这一风险就低得多。”

瑞士国家研究能力中心（NCCR）数字制造所的董事总经理Russell Loveridge也赞赏这种协作方法。“如果我们要应对数字化未来的挑战，那么我们就不能再孤军奋战，”他说。“我们必须学会跨学科设计与合作，携手共进。”

这就是NCCR数字制造所（全球最大的创新建筑研究项目之一）希望和NEST协作达到的目标。该中心与30多个合作伙伴一起建造了NEST的“数字制造房屋”的住宅单元，参与建设的有位于苏黎世的瑞士联邦理工学院（ETH）八个部门的研究人员，包括建筑师、机器人专家、材料科学家、结构工程师和可持续发展专家。

“数字制造房屋”有一个半透明且可隔热的立面。Roman Keller供图。

机器人在生产立面的框架。Roman Keller供图。

一面无需模板的混凝土弧形隔墙。Gramazio Kohler研究所/NCCR数字制造所供图。

用于客厅天花板的3D打印模板。苏黎世联邦理工学院数字建筑技术所Andrei Jipa供图。

随时可以入住：已经完工的“数字制造房屋”。Roman Keller供图。

“数字制造房屋”于2019年初对外开放，体现了住宅建设的未来方向。规划和大部分构建过程都是在数字领域中进行的。机器人预制非标准的木制组件，然后由人工在施工现场将其组装起来。由3D打印机制作的混凝土板的模板形状优雅，将用作一楼的天花板，而施工现场的移动机器人则为双弯曲、无模板的混凝土墙搭建强力钢筋网。

“数字制造房屋”的建设现已完工，用作来访研究人员的公寓以及智能家居解决方案和物联网（IoT）技术的测试实验室。从电器到照明，单元中的所有设备都已联网。为了节省能源，废水中的热量通过热交换器被直接收回到淋浴盘中。不使用的热水流回锅炉，而不是在管道中冷却。这个过程消除了对保持较高水温的需求，还能节省能源并防止细菌的滋生。

NEST的城市采矿与回收单元由可回收材料制成的。Wojciech Zawarski供图。

这里不使用胶水和涂料，所以材料最终可以返回到建筑循环中。Wojciech Zawarski供图。

“数字制造房屋”是当前安装在NEST的六个单元之一。另一个单元是城市采矿与回收部门，是在建筑师Werner Sobek的指导下设计的。在建造这个单元的时候，没有对任何构件使用胶水或涂层，因此最终可以将这些材料作为建筑材料循环的一部分进行回收或变成堆肥。遵循这一原则，该团队希望在研究新的连接技术的同时，找到一种节约稀有原料的新方法。

HiLo单元目前正在建设中，计划于2020年完工，是一个旨在展示轻型建筑潜力的高性能、低能耗的房屋。效果图显示的是一个屋顶设计，就像在该单元上盖了一大块悬浮的布料，其实它是一种由混凝土制成的自我支撑的薄壳。屋顶本身的结构向上翘起，顶峰处只有约3厘米的厚度。其创新的脚手架系统使用张紧的钢缆网和织物膜作为浇筑液态混凝土的模型，可节约材料。屋顶将分为三层：一个薄膜光伏电池的外层，一个绝缘的中间层和一个裸露的混凝土层。

“我们甚至对楼板组件也进行了创新，”负责该项目的Philippe Block教授说。“设计成这样的几何形状的目的，就是让它们不需要内部抗拉钢筋，因此其重量要比传统的混凝土板轻60％。”

HiLo的外层将安装一个带有自对准太阳能电池组件的太阳能立面。这些组件要么可以跟随太阳的轨道以产生能量并提供阴凉，要么可以折叠，离开立面，从而最大限度地开放视野。每一块电池板都独立工作。

该立面是Arno Schlüter教授的作品。博士生Prageeth Jayathissa在与他的研究团队一起开发电池板时提出了这样的问题：“如果环境在不断发生变化，那么楼房的设计为什么非要如此僵化呢？”在这个理念的鞭策下，该团队使用软件程序来协助进行灵活的敏捷设计和建设。

太阳能立面作为数字模型存在于欧特克Fusion 360中，整个NEST大楼均由瑞士公司BIM Facility使用欧特克ReCap进行激光扫描，从而在欧特克Revit和BIM 360中创建数字孪生模型。这座建筑物上安装了大约3000个传感器，提供诸如温度和空气质量之类的设施管理数据，而这些数据又会通过欧特克Forge平台传输到Revit模型中。

这些数据将用于优化建筑物的管理，以确保NEST的成功启动和接受测试的居民满意度。该项目的倡导者希望，这些建筑物及其采用的这些技术将来会有更长的适用期，Gramazio说，“如果你提供了必要的灵活性，如果你重视未知而不是给所有事物进行定义，也许还可以建造出更加经久耐用的建筑物。”