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隨著材料科學(xué)、軟件開發(fā)、設(shè)備自動化等跨學(xué)科領(lǐng)域的綜合發(fā)展，3D打印混凝土已然成為引領(lǐng)建筑行業(yè)走向智能化的重要技術(shù)手段。2020年7月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等十三部門聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確指出要以大力發(fā)展建筑工業(yè)化為載體，以數(shù)字化、智能化升級為動力，加大智能建造在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)應(yīng)用，形成涵蓋科研、設(shè)計、生產(chǎn)加工、施工裝配、運營等全產(chǎn)業(yè)鏈融合一體的智能建造產(chǎn)業(yè)體系。

深圳寶安3D打印公園全景

為響應(yīng)國家號召，積極回應(yīng)數(shù)字時代國家城市建筑與環(huán)境建設(shè)的新需求，清華大學(xué)深圳國際研究生院未來人居研究院徐衛(wèi)國教授聯(lián)合清華大學(xué)建筑學(xué)院進行了跨學(xué)科團隊的自主研發(fā)和創(chuàng)新，將3D打印混凝土技術(shù)變?yōu)橐豁椏鐚W(xué)科的集成性智能建造產(chǎn)業(yè)技術(shù)，位于寶安會展中心17號館前的深圳寶安3D打印公園就是其進行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的生動實踐。據(jù)悉，“打印”一座城市廣場，是3D打印混凝土新技術(shù)，首次在全球的市政工程建設(shè)的實際應(yīng)用。

深圳寶安3D打印公園位于寶安會展中心17號館前，用地面積5523.3平方米，建設(shè)過程中使用了4套機器人打印設(shè)備，從設(shè)計到建成用了近3個月的時間。作為全國第一個應(yīng)用3D打印技術(shù)的城市綠地花園，深圳寶安3D打印公園在2021年9月就首次實現(xiàn)了世界最大規(guī)模的3D打印城市公園建設(shè)嘗試。

公園的設(shè)計概念為“溪谷清流”，蜿蜒的道路曲線和自然起伏的地形融合在一起，模擬清泉流淌于溪谷間的形態(tài)，造型生動靈活的園林小品與水平延展的地形完美結(jié)合，創(chuàng)造出獨特的自然空間。

公園的河流型道路

簕杜鵑雕塑

三葉草雕塑

在公園的整體規(guī)劃設(shè)計上，徐衛(wèi)國教授團隊首先借助GH的插件QUELEA的粒子群優(yōu)化算法，通過人流模擬對場地日后的人群活動狀態(tài)進行預(yù)測；在模擬計算時，把場地中的三個出入口以及場地南北各一個景觀觀賞點作為影響人流運動的要素，從而得到場地上蜿蜒復(fù)雜的人群運行軌跡。在此基礎(chǔ)上，通過人流熱度分析的方法，得到其它潛在的人群聚集區(qū)域及人群活動的路徑。

根據(jù)人流模擬生成的人流路徑圖

公園三維整體模型

公園規(guī)劃設(shè)計總平面圖

再者，以上述公園規(guī)劃設(shè)計平面為基礎(chǔ)，建立公園的虛擬三維模型；在建模時，根據(jù)公園景觀及觀賞要求，分別設(shè)置了主題雕塑、花壇坐椅、曲面擋土墻、花箱樹池、曲線型護坡、曲面綠植花墻、主題構(gòu)筑物等物件，這些環(huán)境飾品及園林小品的設(shè)計均采取了算法生成的方法，使得造型既滿足觀賞者使用和觀賞的要求，又具有優(yōu)美的有機形態(tài)。

在徐衛(wèi)國教授團隊所設(shè)計的深圳寶安3D打印公園中，研究團隊對諸多景觀小品的打印路徑規(guī)劃形式進行了創(chuàng)新探索，如變曲面打印和間層打印技術(shù)。通過技術(shù)創(chuàng)新，研究團隊使機械臂3D打印混凝土建造在打印路徑規(guī)劃上實現(xiàn)新的可能，公園中的“鵬城花開”雕塑和“寶安”雕塑就是具有代表性的創(chuàng)新作品。

“鵬城花開”雕塑的分塊示意

“鵬城花開”雕塑是變曲面打印技術(shù)的代表。該雕塑的體量約為2600mm*2700mm*1800mm，設(shè)計原型為簕杜鵑，為模擬其花瓣有機、無序的形態(tài)，雕塑主體設(shè)計為數(shù)組起伏的曲面。對這個雕塑進行打印路徑規(guī)劃的難點在于，即便將雕塑拆分為5個獨立的分塊，每個分塊仍無法簡單用連續(xù)變化的平面或者曲面進行切分。因此，徐衛(wèi)國教授研究團隊使用一組漸變的不規(guī)則曲面來切割每個分塊，使得最頂部的曲面能貼合于花瓣的上邊緣曲線，而底部則根據(jù)設(shè)計需求分為了幾組不平行的平面。

“鵬城花開”雕塑的打印路徑規(guī)劃方法

雕塑的每個分塊也繼而被切分出了四部分主要的結(jié)構(gòu)：第一部分為雕塑的基礎(chǔ)，內(nèi)部包含了柱狀的承托結(jié)構(gòu)，用以支撐花瓣的瓣底，這一部分采用變平面的方式打印，使最上方的打印路徑平面能夠與瓣底曲面相切；第二部分為變平面打印的花瓣，結(jié)合底部承托結(jié)構(gòu)的變化來支撐瓣底不斷懸挑的碗狀形態(tài)；第三部分則為雙層變曲面打印的花瓣，每個花瓣的打印面由一組往返的打印路徑組成，保證每層打印材料都具備足夠的穩(wěn)定性與承受力；第四部分則為單層變曲面打印的花瓣，用以收住整個不規(guī)則頂面。

“寶安”雕塑模型

“寶安”雕塑則是間層打印技術(shù)的代表。該雕塑的體量約為4900mm*3400mm*650mm，是以深圳市寶安區(qū)的LOGO作為展示對象，結(jié)合“fuzzy-cradle”分形曲線算法生成的祥云圖案所組成的雕塑。

     

“寶安”雕塑打印路徑方案剖面示意

最終，研究團隊嘗試先將雕塑細分為19組漸變平面，然后在每個平面內(nèi)采用間層打印的方法，首層先打印雕塑平面的1/3（a區(qū)域），然后打印2/3（b區(qū)域），到第三層才完整地打印整個平面（c區(qū)域）。依據(jù)這樣的邏輯，整個雕塑的打印路徑可分為兩部分，一部分是完整切分雕塑主體的一系列變平面，另一部分是每兩個變平面之間用以“找平”的間層。雕塑的變平面在達到設(shè)計所需斜度后，于頂部采用水平逐層打印方式完成最后5層打印路徑（d區(qū)域），以突出展示對象。

“寶安”雕塑的細部與完成效果

間層打印的方法最終也使得“寶安”雕塑側(cè)面呈現(xiàn)出疏密有致的紋理，高品質(zhì)地實現(xiàn)了平整、準確的頂面效果。

公園原位打印現(xiàn)場

在準備好3D打印軟件之后，機器人打印設(shè)備開始進場安裝及調(diào)試。在現(xiàn)場原位打印時，有四組設(shè)備協(xié)同工作，它們需要對周邊坐標和彼此之間的相對位置進行校準，以確保和環(huán)境現(xiàn)狀的準確匹配。由工藝流程串聯(lián)的一整套打印系統(tǒng)均按照自動化和智能化要求設(shè)計和調(diào)試，最大程度減少了人力。

公園小品預(yù)制打印現(xiàn)場

在硬件及軟件調(diào)試后，四組打印設(shè)備同時協(xié)同運行，共同完成了河流鋪地廣場區(qū)域的曲線分隔條打印。除現(xiàn)場原位打印外，大部分小品在場地旁邊的工棚內(nèi)預(yù)制打印之后吊裝就位。在工棚內(nèi)，安裝了三套固定的機器人3D打印設(shè)備及一套機器人3D打印移動平臺，可滿足大尺度構(gòu)件的打印要求，它們高質(zhì)高效地完成了珊瑚鋪地、雕塑、座椅、擋土墻等小品的全部打印任務(wù)。

公園預(yù)制小品安裝過程

公園花箱

公園雕塑花池座椅

產(chǎn)品打印完成后，經(jīng)過3天左右的自然養(yǎng)護即可進行安裝。團隊針對每種產(chǎn)品進行了必要的安裝構(gòu)造及吊裝設(shè)計，并與現(xiàn)場施工團隊配合，完成了打印產(chǎn)品的定位、吊裝、構(gòu)造連接、勾縫、表面處理等后續(xù)工藝。由于3D打印產(chǎn)品的精度較高，安裝縫隙較小，減少了現(xiàn)場濕作業(yè)的工作量。之后，結(jié)合整個場地的設(shè)計概念進行綠化種植，自然起伏的地形表面覆蓋柔軟濃密的草坪，數(shù)棵高大的喬木點綴其中，環(huán)境飾品及園林小品展現(xiàn)出自然有機的生態(tài)美感。

隨著國家對3D打印建筑的體量與建設(shè)需求的增大，多臺機械臂的打印路徑協(xié)同、實時速度控制、智能打印路徑生成等領(lǐng)域都是3D打印混凝土行業(yè)內(nèi)正在進行探索并不斷突破的話題。

技術(shù)集成性智能建造產(chǎn)業(yè)（徐衛(wèi)國教授團隊）

相較于傳統(tǒng)的施工方式，這些結(jié)合了數(shù)字化設(shè)計與機器人輔助建造的新方法能夠有效地減少建造過程中材料、時間與人力的消耗，是建筑業(yè)真正走向智能建造的必由之路。清華大學(xué)深圳國際研究生院徐衛(wèi)國教授團隊自主研發(fā)的機器人3D打印建造技術(shù)，就是一種基于自動控制技術(shù)的智能建造方式，它具備節(jié)省人力、提高效率、降低造價、環(huán)保生態(tài)、保證質(zhì)量等優(yōu)點。它不僅可以建設(shè)傳統(tǒng)的建筑形體，并且可以建造各種豐富的有機建筑形態(tài)，符合了當(dāng)今世界綠色環(huán)保的生態(tài)主題，能給我們的生活環(huán)境和智能建造行業(yè)帶來嶄新的面貌。

公園使用場景

以上內(nèi)容參考節(jié)選自：

[1] 黃舒弈，張宇，徐衛(wèi)國. 機器人3D 打印建筑的打印路徑規(guī)劃方法探索[J]. 建筑技藝，2022，28（7）：79-81.

[2] 徐衛(wèi)國，張宇，高遠，孫晨煒. 機器人3D打印技術(shù)在公園建造中的應(yīng)用——深圳寶安3D打印公園打印建設(shè)介紹[J]. 建筑技藝，2022，28（7）：82-85.

[3] 劉鋼、張業(yè)忠. 3D“打印”公園[N]. 深圳特區(qū)報, 2021年10月19日(A04).