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工业革命对建筑设计的影响
Wael Abdelhameed
建筑与内部设计部门
巴林大学
巴林
wabdelhameed@uob.edu.bh
摘要——文章先提出一个关于工业革命的问题：在我们未来会不会有一种工业革命的新模式呢？如果是，那它会对建筑与建筑设计会产生怎样的影响。利用新的建筑材料，已经出现了建筑模式的变革创新，并应用到建筑领域。在现在这个数字化时代，即便是设计工作也有所改变，来从新出现的设计模式中获得潜在收益。建筑业的领域是很巨大的；因此，本文着重介绍建筑业的三个主要领域：建造材料，构筑模式，以及概念性设计阶段。本文依据合成的方法论工具，以及从过往的研究领域文献中提取的部分。利用二手理论性资料，本文揭示第四次工业革命对前面所列出建筑三大主要分类的影响。更进一步是，本文检查建筑教育对核查领域所需要的知识和技巧。这个调查与检查会基础性地帮助学术界在工作市场与职业中选取毕业生。
关键词——工业革命、建筑业、建筑设计、构造模式、建造材料
- 引文
工业革命始于手工制造模式转型成工厂制造，新的化工生产与造铁方法，以及工厂系统的崛起，根据不同的引文，工业革命时期为1760-1765到大约1820-1840。后来紧接着在1830年代发生了经济危机。
第二次工业革命与1870年发生的经济复苏有关联。第二次工业革命的差别为新的革新：新的钢铁制造步骤，先进机械的增长使用，以及蒸汽动力机械工厂。
第三次工业革命随着核能的发展始于1969。新的革新包括电子产品以晶体管与微型处理器而崛起，同时伴随着远程通话与电脑的崛起，以及借助程序逻辑操控的自动机器，高程度的自动化生产时代开始了。这些新工业技术引向出宇宙探索与生物技术。
从2008年夏季开始的经济危机开始，现在的文明正处在一个交叉路口。全球工业赖以生存的化石能源正在弱化，这将会对需要这些能源支持的工业产生一个极其严重的负面影响。
第四次工业革命在第三个千年期开始被揭开，伴随着互联网与数字化作为新技术，而非新类型的能源。尽管2008年经济危机阻碍了第四次工业革命，现在的工厂可以连接所有的生产机器来做到实时互动。新兴技术，类如云计算、大数据分析、以及工业互联网，已经在工业4.0被应用到了。全部这些进阶技术正逐渐应用于制造工具，因此，工业4.0显露出了无限的可能性。明日的工业4.0将会嵌入在智能化城市里，以可再生能源为动力，比如风能、太阳能和地热能。一个互相连接的全球系统的兴起将成为工业4.0的主角。
新技术模式的写照对人生活各个方面的影响已经开始显现。本文着重于介绍已经用于建筑业及其附属领域的新技术模式。文章调查第四次工业革命的工业模式是如何对建筑业产生有作用的冲击，通过列举设计、建筑材料、构造。
- 建筑业与数字化时代
在现在这个有着大量电脑被应用的数字化时代，建筑业的创作模式包含了新的技术：实体设备类似3D扫描器、3D打印、虚拟现实屏幕、虚拟现实配件等等，以及软件包类似于：设计/草稿程序、模型软件、BIM软件、参数模型、虚拟现实包、扩大现实包等等。全部这些用于建筑设计的技术产品引领建筑行业的改变，为了应对并受益于新时代的潜能。由此而出现了新设计模式，创造了它们的新道路和设计准则流程。
建筑业的领域是很巨大的；因此，本文详细介绍建筑业的三个主要分支，建筑设计流程，建造材料，构筑模式。
- 文章的方法论
文章依据综合方法论及关联研究领域的文献回顾。
本文运用理论性资料（第二位），来揭示第四次工业革命对建筑业三大主要分类的影响。
本文运用初始的资料（来自作者研究与学生的计划）来阐明第四次工业革命对建筑设计的影响，以及开展揭开建筑业设计所需的知识和技能。后半部分的详尽研究和调查分析基础性地帮助学术界为工作市场及事业单位配备毕业生。
四、建造材料
在过去的几十年里，类似混凝土等诸多建筑材料的发展突飞猛进。得力于固体材料管理的进步，可供选择的新构造材料作为传统材料（比如砖、木材、油漆）的替代品。不仅如此，新的源头已被研究出来，并显现出能制造新奇另类的，具有更好价值及潜能的建材。
类似墙、楼板的建筑零部件，存储能量的能力可以通过封装合适的相变材料（PCMs）提升，这些零部件可以占有太阳能，并提升人体舒适度。这可以实现减小室内气温更换的频率，并且同时能维持温度更接近所需温度更长时间。
Cabeza和其他人回顾了关于使用相变材料（PCMs）建筑的最新出版物。他们揭示了对应用这种技术的需求，材料所属分类，可供选择的材料，以及在建筑中使用这种材料的问题及可能的解决方法。Khudhair和Farid概括了关于热能储备系统纳入PCMs的研究与分析来用于建筑的实际运用。他们讨论了以前的研究，关于不同的建筑零部件使用封装PCMs的热能储存。有关PCMs实际应用的明确问题被看作为材料的选择，Khudhair和Farid强调了这点。
Yaghi和其他人讲解了以前的挑战达成成功，通过程序设计并形成新固态结晶体材料的分子级建筑块。他们介绍了一种概念性解决方法，网状合成，这需要用二代建筑单元来指导框架次序的集合体，并概括固态结晶体材料的这一步骤。
Reddy和Jagadish呈现了用于构造的不同种类材料的回顾。他们总结了石工工程建筑承担支撑的全部包含能量可以被减少一半，通过使用能量高效/可替代的建筑材料。
Pappu和其他人讨论了印度的无害与有害固体垃圾的产生与利用，以及它们的回收潜能及环境影响。他们总结，对环境友好，能源高效，海岸有效的可替代材料能从固体垃圾获得提升。
Ortiz和其他人调查了建筑材料的生命循环评估（LCA）和零部件组合对LCA整体建筑生命循环的区别。建筑材料的生命循环评估与可持续性之间的联系被强调了。
智能建筑表面，智能材料在过去的几十年内发展了，提供了一个广阔范围的应用方法，在过去可能被认为是科幻小说。现在的建筑环境可以用动态构件来建造，它们可以被操控来改变状态，并且能根据周围因素改变。智能家使用同一种或相似的系统，尽管花销和可选择技术的因素仍旧是普及化这种新材料、表面的困难。
在下面这几段，将呈现建筑设计中最有效的材料与建筑设计方法。还有更多具有革新功能的智能材料在最近十年被发明出来；但是，它们对设计流程的冲击力没有过去的材料大。
A、火星的混凝土或是火星混凝土
在美国伊利诺伊州西北大学的研究团队用了火星上可以获得的材料制造了这种混凝土。新混凝土的主要特色为它的配方中不需要水，这使得这项创新会真正有益于火星建筑的发展。
火星土壤学名上指代表岩层的细小分类。火星土壤是在火星表面发现的优质表岩层。它的特性能显著地与地球上的土壤区分开来，包括它因有高氯酸盐而显现的毒性，参考图1。
硫在加热到240摄氏度时融化成液体。火星的土壤充当一个聚合体，当它冷却时，火星的混凝土会成型。根据研究团队，火星的土壤与硫的比例为1：1。
图1、对火星的混凝土的测试分析
B、CABKOMA绞线杆
坐落于日本的小松世联织物实验室创造了一种新的材料称之为CABKOMA绞线杆。这是一种热塑性碳纤维复合体，参考图2。一条160米的CABKOMA绞线杆重量仅有12千克，比金属杆轻5倍。这种材料的实际运用是在小松世联总部，那里整个建筑都是靠绞线支撑的。这是对金属杆的替代。
图2、小松的透视图与应力分析示意图
C、砖块里的冷却系统
一种黏土与水凝胶组合的新砖块材料，在西班牙巴塞罗那的加泰罗尼亚先进建筑学院被创造出来了。这种新材料“水陶瓷”对建筑内部有降温效果，来减少室内温度大约6摄氏度，参考图3。
图3、冷却系统砖块的细节
D、用烟蒂做的砖块
在墨尔本的澳大利亚大学的RMIT研究者做出了更轻，更有效利用能量的烟蒂制砖块。垃圾中的元素比如砷、铬、镍、镉，进入土壤会对自然造成伤害。每年都有至少一百二十万吨烟蒂垃圾，来自于生产的六百万吨香烟。
E、吸收污染的砖块
这种新技术是一种内部真空吸收污染的的砖块，设计者是加利福尼亚理工州立大学，建筑与环境设计学院，助理教授Carmen Trudell。呼吸砖块吸收空气中的污染，排出过滤的空气。尽管这种新材料被设计为建筑基础通风的一部分，并已经纳入到建筑系统中，它可以与窗户安装到墙里，既是冷却系统又是墙，参考图4。
在另一项这种新技术的研究中，埃隆·马斯克的一个地道应用了创新的方法。在这个通风地道进行的试验证明了系统可以过滤30%的小颗粒污染与100%的大颗粒类似尘埃。
图4、吸收污染砖块的细节
五、构造模式
研究与测试的重点不仅仅是为了发明新的构造模式，也是为了改善不同级别环境、经济、时间状况下建筑模式的准则。很多构造模式以一种革命性的方式发展，对构造与建筑业都产生正面影响，特别是建筑被创造与设计的方法。举个例子，机器人技术在构造领域可以同时便利化大规模定制和数字化制作。有先进技术的机器人学和相似模式显著地进步，同时改善传统的构造模式。
预制安装建筑以它可以减少建筑材料浪费的能力证实了它在建筑模式中的潜力。Chou和Yeh提出了一种估测建筑生命循环中对环境的主要危害，以及选择一种恰当的建造模式。他们讨论了预制和现浇两种建造模式之间的对照。
中国的季先生和其他人的一份经验性研究总结了预制建造比传统模式产生更少的温室气体（GHG）排放量。他们强调现场加工设施的运输会对减少排放量产生一个负面影响。
Yukesel和其他人研究型地研究了两种新的预制梁-柱连接方式。它们拥有出色的优点，在细节上有一些微小差别，并测试数字化模型样本来校准分析工具。
Sharafi和其他人探讨在建筑构造中组件的最佳等级，目的是决定制作者和模式化生产者的过程高效化，这会对大型建筑项目产生一个有效的正面影响。
复杂的模型制作和模拟技术已经被有效地用于大量建造研究和拆除物垃圾处理研究，这可以看作未来研究与技术的专业模式。
Paoletti和Naboni讨论了使用机器人辅助生产的建筑部件的大规模定制的优点，通过建造不同等级的实验性事例研究。他们争论了机械辅助组装模式在建筑业显著改变了将来的设计，指向一个包括了材料与装配限制的模型。Braumann和Brell-Cokcan深入性研究了建筑业最重要的主题之一适应能力，建筑师通常设计单独的样本而非能帮助构造流程的大规模生产设计。Bonswetch和其他人研究通过一个四周毕业设计工作室的学术计划，使用了累积的建筑业数字化装配技术。设计是两个三米的砖块墙。
机器人学与机器控制领域在建筑构建中有许多应用，Vick和其他人介绍了一个关于灵活改变计划与操控工业机器人的新概念。开放的基于服务的框架被提出来代替封闭的大一统的建筑，可以被独立硬件运行于分散的信息技术基础设施（云计算）允许一个快速的调整控制组件与它们的复数用处于不同的任务。Vick和其他人实行和测试了提出的机械操作动态调整的框架。
在他们的书《建筑业机械装配，艺术与设计2014》里，Willette和其他人呈现了30章，分为四类：科学文章、方案、工场、工业文章，这些结合建筑业的机器人学与预制的用处。Elashry和Glynn介绍了机器人在建筑地点上的用处：复杂的环境，通过机器感官与适应行为程序的进步。Byrne和其他人呈现了一个软件与硬件的平台，它能使自然、直觉的控制能够作为机器自动化的基础工具让快速制造样本到生产之间的过程有创造性、提升性。Byrne和其他人扩大了机器学创造性的应用潜能，通过创造一个工具集，它可以允许工业机器人移动依靠一个高程度的时态性决策，而不仅是空间性决策。
Tay和其他人回顾了以新生产方式被人所知的3D打印的最新研究趋势，通过分析1997至2016年的出版物。他们讨论了现在的新加坡中心3D混凝土打印的进步，并介绍了一个简短的有关未来可以提高现在系统性能与喷涂质量要做的工作的描述。
在接下来的段落中，文章从可实施项目中呈现建筑的构造模式。
A、3D打印
3D打印在建筑工业呈现出潜在的益处，在绿色和高效利用上优势明显。3D打印模式已经被用于建筑构造，并且研究开始提升科技的益处，这将会在构造工业的很多方面实现。
图5、有很多种类、尺寸的3D打印机
在2013年，最初的10个房子被打印出来，由Winsun公司生产的第一台持续性建筑3D打印机制造。用到的材料是由水泥、沙子、纤维与一种专门的添加剂合成的。位于中国苏州的公司工厂里，打印机一层一层地打印墙与其它构件。打印完成的构建会在场地装配，参考图6。
图6、Dubai的Winsun公司的第一个3D打印项目
B、浮式码头
构造工业的艺术家Christo和Jean-Claude做了一种发明，是浮式码头。在意大利的Iseo湖的水上，一个有3公里长走道的漂浮船埠系统由220000个高密度聚乙烯管子组成，参考图7。在这个项目中用到的新建筑材料使这种创新的漂浮构造成为可能。
图7、意大利的Iseo湖上的浮式码头
六、建筑设计流程
传统设计工作不仅依靠原始抽象概念与不言而喻的知识，也要靠首要传统项目准则包括计划、分隔、高度。这些传统设计工作不会受益于新兴环境分析电脑程序的潜力。概念上的设计流程可以被指认，遵从于信息输入，信息输出以
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