混凝土和钢铁行业的全球二氧化碳排放量占比达15%，因此，越来越多人呼吁使用木材作为更可持续的建筑材料。
凯特琳·穆勒教授开发了一套五步“从设计到制造的工作流程”，将木材的结构特性与数字建筑工具结合起来。
树杈天然体现了坚固内部结构的特征，这种结构可以在建筑形式中加以复现。
气候变化问题使建筑行业受到广泛关注，尤其是建筑材料的开采和加工。混凝土和钢铁行业合计造成全球多达15%的二氧化碳排放。相比之下，木材天然具有固碳作用，因此人们开始转而使用木材。事实上，一些国家呼吁公共建筑至少部分采用木材建造，而大型木结构建筑也已在世界各地涌现。
观察到这些趋势后，凯特琳·穆勒（2007届、2014年理学硕士、2014年博士）是麻省理工学院建筑技术项目的副教授，研究领域包括建筑学、土木与环境工程。她看到了进一步提升可持续性的机会。木材行业正寻求用木材替代传统的混凝土和钢材构件，其重点是采伐树木笔直的部分。树结和树杈等不规则部分则被制成颗粒燃烧，或磨碎后用作园艺覆盖物，几年内便会分解；这两种处理方式都会将木材中封存的碳释放到大气中。
过去四年来，穆勒和她的数字结构研究团队一直在探索如何将这些废弃材料“升级再造”并用于建筑——不是作为旨在改善外观的覆层或饰面，而是作为结构构件。她说：“赋予材料的最大价值，就是让它在结构中承担载荷。”然而，建造者使用原生材料时，结构构件因所需高强度材料用量大，成为建筑中排放最密集的部分。因此，用升级再造材料替代这些高碳排放系统，对减排尤其有成效。
穆勒和她的团队聚焦于树杈，也就是树干或树枝分成两股、形成Y形构件的位置。在建筑图纸中，有许多类似的Y形节点，直线构件在此汇合。这些节点必须足够坚固，才能承受关键载荷。
穆勒说：“树杈是天然形成的结构连接，在树木中充当悬臂；由于其内部纤维结构，它们有可能非常高效地传递力。把树杈从中间剖开，就能看到令人惊叹的纤维网络。这些纤维相互交织，在树木中形成通常具有三维形态的载荷传递点。我们开始尝试用3D打印做出类似结构，但在纤维取向和几何形态的复杂程度上，离自然界的水平还差得很远。”
她和团队开发了一套五步“从设计到制造的工作流程”，将树杈等天然结构与如今用于建筑设计的数字和计算工具结合起来。长期以来，手工艺运动一直倡导在栏杆和装饰构件中使用天然木材；而计算工具的应用，使木材能够用于承重结构，同时无需过度切削。过度切削成本高昂，还可能损害木材天然的几何形态和内部纹理结构。
鉴于当今建筑师广泛使用数字工具，穆勒认为，她的方法“至少有望扩大应用规模，也有望在我们的工业化材料加工系统中实现”。此外，将树杈与数字设计工具结合，也能顺应建筑师探索新形式的趋势。穆勒说：“过去二十年建成的许多标志性建筑都有出人意料的形状。树枝具有非常独特的几何形态，有时适合构成不规则或非标准的建筑形式——这种形式并非由某种任意算法驱动，而是由材料本身决定。”
步骤0：寻找材料来源，设定目标
开始从设计到制造的流程前，研究人员需要找到树杈来源。穆勒得到了马萨诸塞州萨默维尔市城市林业部门的帮助。该部门维护着一份数字清单，记录了2000多棵街道树木，涵盖20多个树种，并登记每棵树的位置、树干的大致直径和健康状况。
经林业部门许可，团队于2018年在新萨默维尔高中校址附近的一大片树木被砍伐时到场。现场的重型设备中有一台削片机，准备把所有废木料制成覆盖物。工人们没有这样做，而是热心地把废木料装上研究人员的卡车，运往麻省理工学院。
在这个项目中，麻省理工学院团队不仅希望升级再造这些废弃材料，还希望用它们建造一座公众认可的结构。穆勒解释说：“我住的地方，市政府因为一种入侵甲虫造成的损害，不得不砍掉很多树。人们非常难过——这完全可以理解。树木是城市肌理的重要组成部分，能提供荫凉和美感。”她和团队希望通过“将被移除的树木重新安置为一座新的实用结构，重现被砍伐树木此前带来的氛围和空间体验”，来缓解这种不满。
确定材料来源和目标后，研究人员准备展示如何通过五步从设计到制造的工作流程，利用树杈清单建造空间结构。
步骤1：建立数字材料库
第一项任务是将收集到的树杈制成数字材料库。他们先切除多余部分，将树杈单独分离出来，然后对每个树杈进行3D扫描。穆勒指出，得益于摄影测量（通过照片测量物体）和3D扫描技术近期取得的进展，他们能够用相对便宜的设备创建每个树杈的高分辨率数字模型，甚至可以使用普通智能手机上的应用程序。
在数字材料库中，每个树杈都以“骨架化”版本呈现，显示三根直杆在一点汇合。树枝的相对几何形态和方向尤其重要，因为它们决定了构件内部纤维的取向，而纤维取向赋予构件强度。
步骤2：在初始设计与材料库之间寻找最佳匹配
与树木相似，典型的建筑设计中也遍布Y形节点，三根直线构件在此交汇，以支撑关键载荷。因此，研究人员的目标是将材料库中的树杈与示例建筑设计中的节点进行匹配。
首先，研究人员开发了一种“失配度指标”，用于量化特定树杈的几何形态与给定设计节点的吻合程度。穆勒解释说：“我们试图让结构中的直线构件与树枝原来的位置对齐。这样就能获得最佳的载荷传递方向，并最大限度地利用木纤维本身的强度。”对齐程度越低，失配度指标就越高。
目标是让所有树杈在目标设计的各个节点之间实现整体上的最佳分配。因此，研究人员需要尝试不同的树杈与节点分配方案，并将每种方案中各个树杈与节点之间的失配误差相加，得出整体或全局匹配分数。匹配分数最高的分配方案，将最有效地利用树杈库存来满足结构需求。
手动完成这一过程耗时太长，不切实际，因此研究人员采用了“匈牙利算法”——一种于1955年开发、用于解决此类问题的技术。穆勒说：“这个算法的精妙之处在于能非常迅速地解决[匹配]问题。”她指出，这是一种用途广泛的算法。“它可以用于婚姻配对之类的问题。只要有两个集合，并且要在其中寻找一一对应的匹配，就可以使用它。所以，我们当然不是算法的发明者，但我们是最早发现它可用于解决这个问题的人。”
研究人员反复测试了库存树杈的不同可能分配方案，发现随着材料库中可用树杈数量增加，匹配分数会提高——但提升存在上限。总体而言，研究人员得出结论：当材料库中的树杈数量约为目标设计节点数量的三倍时，失配分数最低，因此效果最好。
步骤3：兼顾设计意图与结构性能
流程的下一步是纳入设计师的意图或偏好。为保留这种灵活性，每项设计都包含数量有限的关键参数，例如杆件长度和弯曲应变。设计师可以利用这些参数手动改变设计的整体形状或几何形态，也可以使用算法自动调整或“变形”几何形态。每次设计几何形态发生变化时，匈牙利算法都会重新计算树杈与节点之间的最佳匹配。
穆勒指出：“匈牙利算法速度极快，因此所有变形和设计更新都能非常流畅。”此外，每次改变几何形态后，都会进行结构分析，检查结构的挠度、应变能以及其他性能指标。有时，自动生成的最佳匹配设计可能与设计师的初始意图相去甚远。在这种情况下，可以找到一种替代方案，在满足设计意图的同时保持较低的匹配误差。
步骤4：自动生成机器代码，实现快速切割
结构几何形态和树杈分配方案确定后，就可以着手实际建造结构。为简化组装和维护，研究人员会重新切削树杈端面，使其更好地贴合相邻的直木构件，并剥去残留树皮，以降低腐朽和起火的风险。
为指导这一过程，他们开发了一种定制算法，可自动计算所需切口，使树杈适配指定节点并去除树皮。目标是在尽可能少去除材料的同时，避免复杂、耗时的加工流程。穆勒解释说：“如果切得太少，就会切掉过多关键结构材料。但我们也不想切出一百万个细小切口，那样会耗费很长时间。”
团队使用欧特克波士顿技术中心建造空间的设施，那里的机器人比麻省理工学院的任何机器人都大得多，而且整个加工过程均为自动化。为了加工每个树杈，他们将其安装在机械臂上，由机械臂按照计算机生成的指令，以不同角度将接合部推过传统带锯。机器人还会铣出所有结构连接孔。穆勒说：“这很有帮助，因为它能确保所有部件都按预期对齐。”
步骤5：组装现有树杈和直线构件，建造结构
最后一步是组装结构。以树杈为基础的连接部件形状各异，与预先切好的直木构件组合起来可能并不容易。不过，所有部件都贴有标签。穆勒说：“所有几何信息都嵌入了连接部件中，因此组装过程非常简单，技术要求不高。它就像儿童玩具套装。只要按照连接部件上的说明，就能把所有零件拼起来。”
他们曾在麻省理工学院校园内临时搭建最终结构，但穆勒指出，这只是他们计划最终建造的结构的一部分。她说：“我们用这个流程设计和制作了12个节点。”她补充说，团队的工作“因疫情而稍有中断”。随着校园活动恢复，研究人员计划完成整个结构的设计和建造。该结构将包含约40个节点，并作为户外亭阁安装在萨默维尔被砍伐树木的原址。
此外，他们还将继续开展研究。计划包括使用规模更大的材料库，其中一些树杈有多个分支；并以计算机断层扫描技术取代现有的3D扫描方法，从而自动生成树杈的详细几何模型，包括精确的纤维取向和密度。在另一个并行项目中，他们还在探索将这一流程用于其他材料来源，其中一个案例研究聚焦于利用拆除的木框架房屋材料，建造十多座测地圆顶。
对穆勒而言，迄今为止的工作已经为建筑设计流程带来了新的指导。借助数字工具，建筑师如今可以轻松分析设计方案的隐含碳排放或未来能源使用量。她说：“现在我们有了一个新的性能指标：我对可用资源的利用效果有多好？借助匈牙利算法，我们基本上可以实时计算这一指标，因此能够快速、灵活地将它作为另一项输入纳入设计流程。”
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