自从现代主义问世以来，建筑师一直梦想着拥有将结构和外形统一起来的完美材料。20世纪的解决方案是钢梁和玻璃窗，能够将建筑物和覆盖建筑物的元素组成一个整洁的二分组合。本世纪，学术研究人员正抛弃这种二分法，因为他们想寻求一种理想的用于建筑的材料。
两位研究人员正在这个领域取得重大进展。田纳西大学（University of Tennessee）建筑学教授马歇尔普拉多（Marshall Prado）正在试验复合建筑材料 - 特别是由碳纤维和玻璃纤维制成的超强纤维系统。Ball State大学的设计创新研究员Christopher Battaglia正在开发具有类似新材料制造潜力的3D打印混凝土模板。
这两种材料都具有足够支撑物体重量和动态的清晰度来创造新的形式。这两位学者都是在印第安纳州哥伦布市举办的年度 “哥伦布展览”上的大学设计研究研究员，旨在表彰这个小城市世界级的中世纪现代建筑。
今年8月，Prado和Battaglia将设立展馆来展示他们的研究，同时向J. Irwin Miller和Xenia Miller建造的建筑致敬。在Irwin担任拥有100年历史的柴油发动机制造商Cummins的负责人期间，该公司赞助了那个时代最优秀的建筑师（Eliel和Eero Saarinen，I. M. Pei，Harry Weese）来设计无数的公共和私人建筑。“哥伦布和现代运动一直推动技术和材料的进步。”Exhibit Columbus展览主任Anne Surak说。
碳强度+玻璃透明度
Prado的装置Filament Tower因其高强度重量比而闻名，是一种30英尺长的结构，由碳纤维和玻璃纤维制成。为了建造塔架的部件，重新配置了可在双轴转盘上旋转的钢架（很像旋转式烤架），而机械臂则缠绕碳纤维和玻璃纤维束，这些纤维束已经在结构中来回浸渍环氧树脂。树脂固化并变硬，并将其放置在回火炉中，使其更加坚固。构冷却后，移除钢模板。由此产生的复合强度在拉伸时也起压缩作用。塔的27个垂直部分很容易拧在一起。Prado说：“剩下的只是做整个架构的复合材料。”
这座30英尺高的塔楼是哥伦布现代主义教堂的标志性尖顶的翻边，就像埃罗萨里北部基督教教堂的尖顶一样。纤维塔呼应了教堂的六边形设计，但其结果并不尖锐，数学几何纤维塔蜿蜒而有机。这是一个仿生的例子，这种结构使人想起蛋白质基质中紧密缠绕的纤维，这些纤维形成了许多有机结构。例如，树木和植物由纤维素纤维制成，胶原纤维是一种常见的生物结缔组织，昆虫甲壳由甲壳素纤维制成。
除了这些令人回味的元素，复合材料最令人震惊的壮举也许就是它的透明度。“它真正挑战了你对结构的看法，因为玻璃纤维这样的材料是半透明的。”Prado说。他使用Autodesk PowerMill来制造这座塔。
在架构中，通常“建筑有一个系统，外壳有一个系统，暖通空调有一个系统；”Prado说，“而在生物学中，一切都是功能整合的。结构就是外壳。这是热调节系统的一切。”
Filament Tower的强度、重量轻和透明质量意味着它可以在结构或立面应用中同样良好地工作。其模块化特性也适合移动和快速部署基础架构需求。诸如桥梁之类的大跨度结构可以像织物一样编织在一起。
Prado认为虽然这些应用是新的，但碳纤维已经存在了近一个世纪。他说：“自从我们在20世纪30年代开始使用这些材料以来，这个过程并没有真正改变。人们制造模具，铺设纤维，一遍又一遍地得到同样的部分。这不是架构真正擅长的东西。我们不会一遍又一遍地建造同一栋楼。我们不制造整个建筑的模具。”这个过程为建筑设计和制造复合材料提供了新方法。
混凝土+前卫
Battaglia的装置称为DE|stress，与康奈尔大学Antistatics Architecture的Martin Miller合作设计，也超越了传统的模具制造方法。他的展馆将包括110个弯曲的混凝土板，每个板都是独一无二的，并采用相同的材料铸造而成。关键是它的绿砂铸造方法，其中面板在潮湿和未完成的状态下加工。（之所以称为“绿砂”，是因为砂型未凝固；它仍处于“绿色”或未固化的状态。）
首先，将硅砂和膨润土粘土与水混合。水和粘土把沙子粘在一起，使其柔韧。沙子被压实，然后CNC机器人铣出曲面板几何形状。接下来，将细骨料混凝土分层3D打印到模具中。固化后，模具可以分解并回收材料。这是一个非常高效的过程。（该项目是在赞助商Laticrete Concrete的支持下创建的。）
“同样印刷材料的机器人也正在为这种材料创造模具，”Battaglia说。“在造型中根本没有任何材料浪费。”由此产生的面板作为空心蝴蝶结框架，通过自然压缩力锁定到位，形成一个35英尺长，9.5英尺高的亭子。
在混合物中加入适量的水，绿砂可以坚硬数周。“通过对这些精密模具进行混凝土3D打印，您可以获得非常锋利的边缘，所以现在即使内部印刷，您也可以获得精确的铸造边缘，”Battaglia说。
有了DE|stress，Battaglia就会考虑到特定的建筑部门。他说：“这是对预制混凝土行业的批评。”通常情况下，混凝土板是坚固耐用的，但是（特别是在较大的尺度上）很少用于几何形状。将绿砂成型与3D打印相结合，提供了更多形式上的变化和灵活性，同时保持混凝土和强度，使材料成为结构和立面系统之间的理想交叉点。Battaglia设想它最终用于立面系统和屋顶结构。
在过去的几十年里，Frank Gehry和其他建筑师一起疯狂地采用由Zahner和其他人制造的精致弯曲的钢板形状。很容易想象Battaglia的工艺为混凝土打开了同样的大门。
Battaglia和Prado在哥伦布的实验都指向了一个未来发展的趋势，在这个未来中，材料获得了更大的自由，而这些开阔的视野将用来表达功能结构和美学表面。当结构和表面融合时，也可以设想融合它们各自的目的（功能和美学），这是哥伦布和世界各地的现代主义先驱的另一个长期梦想。
原文作者：BY ZACH MORTICE，芝加哥建筑记者。
