极限领域 | 超级建筑探索实践

女娲火星城

Nüwa Martian City

✸ 女娲是位于火星坦佩门萨悬崖上的一座自给自足的垂直城市，是旨在探索能够在火星上建立容纳100万人的殖民地首都的城市设计。该方案是一种灵活可扩展的城市原型，可以轻松应用于其他火星地点。这座城市由位于悬崖岩石内的自给自足的巨构建筑组成，每座建筑可容纳 4440 人。这些在隧道开挖后建设的建筑是模块化的，包括住宅、工作和活动功能，由隧道的三维网络连接在一起。这些基本建筑模块为直径10米、长60米的两层管状结构，囊括三个不同的住宅和三个不同的工作模块，通过根据需要重新组合模块提供高度灵活和可扩展的机会。通过提供这种标准化，该设计可确保可扩展性并降低复杂性、成本和施工速率。

✸ 所有模块都包括绿地、城市花园和专门艺术空间。城市花园是小型社区公园，有动物和水体，旨在保障居民的身体健康。为了与地球建立情感联系，女娲将容纳大量的人造绿化，它们被命名为“绿色圆顶”，有两种类型：允许人类活动的城市公园，以及暴露在火星环境中的实验性景观。悬崖上的巨构建筑由高速电梯系统连接，类似于地球上的摩天大楼。该基础设施还将悬崖底部与顶部连接起来，并在连接巨构建筑处设有中间站。

✸ 悬崖的顶端是广阔的平原，设置专门用于制造、食品生产和能源生产的基础设施。农作物将在富含二氧化碳的环境中种植，人类在这种环境中无法呼吸，因此，这些设施中的操作任务将实现自动化。水培系统提高了作物的效率，因为它比常规地面种植作物需要更少的水和空间。该区域还生产用于废物处理的藻类和细菌。

✸ 悬崖的底部是山谷，设置巨大的展览亭，用于社交互动。这些展亭采用半透明表皮设计，可欣赏火星景观。这些圆顶借助原址材料制造的镀层，保护人类免受外部辐射。同时，这种策略即使在大规模建设时也能确保可回收性。在山谷中，也有特定的结构来容纳与航天飞机通信的医院、学校和大学、体育和文化活动、购物区和火车站。动物和昆虫的养殖区位于山谷，靠近公共城市区域，因为它们的生存环境与人类类似。从挖掘中提取的额外材料建造的人造山作为城市的视觉框架。

斯科特基地

Scott Base by Hugh Broughton Architect

✸ 在南极建筑探索的文章中我们已经写过南极科考站的建筑介绍，在这里再拿出来做一个汇总。新西兰的斯科特基地位于罗斯岛的普拉姆角，冬季气温降至 -58°F 以下，每年有4个月的极夜时间。该基地的第一次迭代是由弗兰克庞德为埃德蒙希拉里爵士于 1957 年的跨南极探险设计的。从那时起，罗斯属地一直用于全年的科学观察，并促进了全世界各国的南极研究。

✸ 1976-1983年度建造的基地难以维护，运营效率低下。因此，2015 年开始了重新开发斯科特基地的进程。该设计包括三个相互连接的符合空气动力学形态的建筑，它们沿着罗斯岛的普拉姆角山坡向下延伸。三座建筑相互错开并通过固定件链接，以最大限度地减少雪崩带来的毁灭风险，所有的建筑物都高出地面，鼓励风在下面流动，从而最大限度地减少积雪和建筑底层开裂。

✸ 顶层的建筑单体是斯科特基地的主要入口。它包括起居室、餐厅和带全景窗户的酒吧、医疗套房、洗衣房、娱乐空间、食品储藏室、商店、更衣室、迎宾休息室和机械设备空间。中楼为实验室和办公室，下层专门用于深入极地的科学考察准备和演出。较低的建筑包括车辆车间、洲际货物装卸区、废物管理和中央仓库。

✸ 室内设计目标旨在创造强烈的归属感和舒适感，同时最大限度地减少维护成本。选择温暖的饰面是为了耐用、舒适和经济。通过传达毛利人的价值观和反映新西兰参与南极洲的历史，设计上尽量反映新西兰的文化和自然景观，植入作为新西兰人的真实生活空间感受。

✸ 为了尽量减少基地的碳排放，大部分能源需求将由风力涡轮机提供。暖气将由电锅炉提供。只有当没有风或通过电量不足时，基地才会由燃料发电机供电。来自这些发电机的废热将被收集并用于加热基地。水将使用反渗透技术生产，将海水转化为饮用水。使用真空排水系统处理废水；马桶每次冲水使用 1.5 升水，小于标准用水量，有助于节省水和能源。工厂分布在基地周围，能够持续性的服务储水、电力生产和通信，以最大限度地提高关键生命支持系统在严酷环境中的弹性。

✸ 斯科特基地的建筑单体在新西兰预制建造，然后分成等宽的单元模块，运往南极洲。抵达后，这些块将使用多个自动化电动模块移动到位，在最终装修工作和现场调试之前将它们连接在一起，这使得斯科特基地的施工耗时整体缩减达到两年。

胡安卡洛斯一号西班牙南极基地

Juan Carlos 1 Spanish Antarctic Base

✸ 利文斯通岛是南设得兰群岛的第二大岛。在冬季，气温降至 -13ºF 左右，而在夏季，平均气温上升至 +36ºF，强风风速经常超过每小时100英里。

✸ 新基地包括一个栖息地模块、独立的科学模块和一系列用于服务和存储的辅助模块。栖息地模块包含三个围绕核心布置的住宿翼，而科学模块是一个独立的结构。建筑物的朝向充分利用了场地地形，通过窗户可以看到周围陆地和海洋景观。场地周围布置的辅助模块为技术设备提供空间。

✸ 同样的，这些建筑底层架空，以允许气流冲走雪和融水在下面自由流动，并防止底板冻裂。场地附近生长着稀有的地衣，并严格控制碳排放，以确保这些植物不会受到损害。建筑物的钢框架支撑在预制混凝土基础上，并覆盖在含有聚氨酯绝缘材料的复合玻璃增强塑料 (GRP) 面板中。GRP覆层面板可制造尺寸较大，可减少现场施工时间。GRP非常适合用作基地建筑外饰面，因为它具备强大的耐腐蚀性能，并且导热性低于金属，因此在建筑构件交接部位，可以最大限度地减少能量损失。

✸ 在建筑物内部，模块化设计最大限度地提高了空间灵活性，以便新站可以更灵活的适应需求。现代化的室内设计在舒适、令人振奋的环境中充满了娱乐和放松的区域，旨在维持正常生活氛围。屋顶灯和玻璃入口区域最大限度地利用了日光，减少了能源消耗，并使工作人员能够不断地与周围环境互动。基地设计的宗旨在限制基地对环境的影响，同时充分利用可再生能源。太阳能和风能已经在胡安卡洛斯一号用于为科学设备提供动力。

变重力空间站样机及试验台

VARIABLE GRAVITY SPACE STATION PROTOTYPE AND TESTBED

✸ 目前人类太空探索的重点是月球和火星，这使得人类在国际空间站上的投入和注意力逐步减少。国际空间站任务很可能会在这十年内终止。如何转变对国际空间站的利用策略应该是一个更好的对空间站的持续利用方式。一个强有力的案例是，国际空间站的后继者应该是一个可变重力设计，能够提供一系列模拟重力环境。这里提出的概念设想了一个近乎全尺寸的可变重力原型和试验台，这是第一步也是至关重要的一步。其目的是演示和验证运行旋转可变重力空间站所需的许多先进技术。这些包括姿态控制、轨道定向、角速度控制、远距操作、结构性能、动态行为、部署排序和对接/停泊程序。

✸ 该设计类似于一个直径约 220 米的巨型“呼啦圈”。它调整其旋转速率以模拟不同的重力模式，包括地球、月球、火星的重力环境和微重力。它的旋转动力是最大的技术难题，但如果该技术可用于大型空间结构，则可以利用太阳能电力推进。角速度的变化将非常缓慢，以保持较低的加速度和减速度，因此从一种重力模式转移到另一种重力模式需要几天甚至几周的时间。

✸ 环形结构由配置为六个紧密连接的预制段建造而成，由运载火箭运送，其有效载荷质量和尺寸能力与 SpaceX 星际飞船相当。每个有效载荷本质上都是一个具有内置推进、引导、导航和控制功能的航天器，使其能够机动到轨道上的组装地点并与之会合。到达的航段要么自动与已经就位的航段对接，要么在靠泊接口处使用遥控臂靠泊。在没有自旋的微重力模式下，访问的载人航天器能够在其圆周上的任何点与圆环会合。

欧空局的月球前哨设计

LUNAR OUTPOST DESIGN FOR ESA

✸ Foster + Partners 受邀探索 3D 打印建造月球栖息地的可能性。为了解决将材料运送到月球的挑战，该项目组正在研究月球土壤（风化层）作为建筑材料的可行性。该实践设计了一个可容纳四个人的月球基地，可以防止陨石、伽马辐射和高温波动。底座首先从一个可以由太空火箭运输的管状模块展开。然后从该圆柱体的一端延伸出一个可充气的圆顶，为建筑提供支撑结构。然后由机器人操作的 3D 打印机在圆顶上建立一层表土层，以形成一个保护壳。为了确保强度，同时将粘合剂的量保持在最低限度，外壳由类似于泡沫的中空封闭蜂窝结构组成。该实践在展示 3D 打印创建接近自然生物系统的结构的潜力方面具有开创性贡献。模拟的月球土壤已被用于创建一个 1.5 吨的模型，并在真空室中以较小的规模进行了 3D 打印测试，以反映月球条件。该基地的计划建设地点位于月球的南极，那里几乎一直处于极昼状态。

极端环境下可自行部署的栖息地 (SHEE)

SELF-DEPLOYABLE HABITAT FOR EXTREME ENVIRONMENTS (SHEE)

✸ SHEE开发了一个行星栖息地试验台，并为进一步开发和演化其类型提供了重要的背景知识。SHEE是一个功能性栖息地，由可展开的、刚性的机器人组件组成。每个 SHEE 模块可容纳两名船员，执行为期两周的任务，包括两个船员舱、厨房、卫生设施、工作区和实验室。SHEE 配备了环境控制和监测系统以及废物和废水的封闭存储。

© International Space University – France, LIQUIFER Systems Group – Austria, Space Applications Services – Belgium, Institute of Technology, University of Tartu – Estonia, COMEX – France,
Sobriety – Czech Republic, Space Innovations – Czech Republic

火星冰之家

MARS X HOUSE

✸ 火星冰之家（MIH）是 2016 年在 NASA 兰利研究中心与 SEArch+ 和 CloudsAO 合作进行的一项可行性研究。银河宇宙辐射问题是火星表面长期任务中影响人类健康的最重要的问题，该概念将原位资源利用衍生的水冰用于辐射屏蔽和建筑结构组件。该研究提出了以下设计和工程解决方案：充气结构元素、部署系统元素以及整个栖息地的访问和交付元素。水冰充满并冻结在精密制造的充气膜的细胞袋中。栖息地内部将通过一层二氧化碳细胞层与冰隔绝，二氧化碳可以很容易地从火星大气中提取出来。长期停留在火星表面的基地及发射器需要较低质量，同时为任务机组人员提供有效的工作环境和对银河宇宙射线的高度屏蔽。在这种情况下，半透明的冰是关键的设计元素：它允许自然光渗透到栖息地内部，使居住者与昼夜循环保持联系，并确保船员的健康。

© Kevin S Kempton (NASA PI), Christina Ciardullo (SEArch+ Project Lead), Ostap Rudakevych (Clouds AO Project Lead), Melodie Yashar (SEArch+), Michael Morris (SEArch+), Rebeccah Pailes-Friedman (SEArch+), Kelsey Lents (SEArch+), Benjamin Greaves (SEArch+), Masayuki Sono (Clouds AO), Yuko Sono (Clouds AO), Jeffrey Montes (Clouds AO), Sheila Ann Thibeault (NASA), Tess Casswell (Brown University), Vanda Ngo (NASA), Ian Senter (NASA), Glen King (NASA), Jin Ho Kng (NASA)

赛贝尔

CYBELE - A Mars Ice Home Use Case

✸ 赛贝尔是一个太空温室设计，是一个用于生命支持和探索的作物生产、生物再生环境。赛贝尔将采用火星冰之家 (MIH) 栖息地设计的冰屏障，并将生产足够的食物，以满足执行火星表面任务的四名宇航员的饮食要求。该设计采用自动水培生长系统，该系统利用冰屏障来进行辐射防护。温室的主要目的是为船员提供食物，但它还将通过在温室和 MIH 之间回收生物质、能源、水、氧气 (O2) 和二氧化碳 (CO2) 来支持闭环栖息地的运行。考虑到未来的任务，赛贝尔的目标运行寿命将与 MIH 相同，即 15 个地球年。这个温室将是在火星上建立长期人类存在的第一个努力的一部分。

© Sheila Baber, Eva Birtell, Kaixin Cui, Alexa Escalona, Benjamin Greaves, Kevin S. Kempton (NASA Langley Research Center 2019 BIG Ideas Challenge Developer), Christina Ciardullo (SEArch+ 2019 BIG Ideas Challenge Developer)

火星 X HOUSE

MARS X HOUSE

✸ X-House 是 NASA 火星栖息地挑战赛冠军项目。Mars X-House 优先考虑火星表面上船员的安全，通过将人类居住环境与火星景观联系起来，创造开创性的火星栖息地环境。栖息地综合了未来火星栖息地的关键设计因素：计划性和建筑效率、采光性和辐射防护，为其居住者创造了一个功能强大且具有保护性的栖息地。

可部署的模块化框架

DEPLOYABLE MODULAR FRAME

✸ 可部署模块化框架 (DMF) 是一个基于充气技术组织空间栖息地和行星前哨内部布局的平台。该平台提供了一个可部署的结构，可以为不同的目的配置模块。DMF 可以更有效地利用模块内的空间，并最大限度地减少宇航员在模块内设置设备的工作量。