隨著材料科學(xué)、軟件開(kāi)發(fā)、設(shè)備自動(dòng)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(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，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(jí)為動(dòng)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(jì)、生產(chǎn)加工、施工裝配、運(yùn)營(yíng)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(guó)家號(hào)召，積極回應(yīng)數(shù)字時(shí)代國(guó)家城市建筑與環(huán)境建設(shè)的新需求，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院未來(lái)人居研究院徐衛(wèi)國(guó)教授聯(lián)合清華大學(xué)建筑學(xué)院進(jìn)行了跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)的自主研發(fā)和創(chuàng)新，將3D打印混凝土技術(shù)變?yōu)橐豁?xiàng)跨學(xué)科的集成性智能建造產(chǎn)業(yè)技術(shù)，位于寶安會(huì)展中心17號(hào)館前的深圳寶安3D打印公園就是其進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的生動(dòng)實(shí)踐。據(jù)悉，“打印”一座城市廣場(chǎng)，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(shí)際應(yīng)用。

深圳寶安3D打印公園位于寶安會(huì)展中心17號(hào)館前，用地面積5523.3平方米，建設(shè)過(guò)程中使用了4套機(jī)器人打印設(shè)備，從設(shè)計(jì)到建成用了近3個(gè)月的時(shí)間。作為全國(guó)第一個(gè)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(shí)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(jì)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(dòng)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(dú)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(jì)上，徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)首先借助GH的插件QUELEA的粒子群優(yōu)化算法，通過(guò)人流模擬對(duì)場(chǎng)地日后的人群活動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)；在模擬計(jì)算時(shí)，把場(chǎng)地中的三個(gè)出入口以及場(chǎng)地南北各一個(gè)景觀觀賞點(diǎn)作為影響人流運(yùn)動(dòng)的要素，從而得到場(chǎng)地上蜿蜒復(fù)雜的人群運(yùn)行軌跡。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)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(dòng)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(jì)總平面圖

再者，以上述公園規(guī)劃設(shè)計(jì)平面為基礎(chǔ)，建立公園的虛擬三維模型；在建模時(shí)，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(shù)池、曲線型護(hù)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(jì)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(jī)形態(tài)。

在徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的深圳寶安3D打印公園中，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)諸多景觀小品的打印路徑規(guī)劃形式進(jìn)行了創(chuàng)新探索，如變曲面打印和間層打印技術(shù)。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，研究團(tuán)隊(duì)使機(jī)械臂3D打印混凝土建造在打印路徑規(guī)劃上實(shí)現(xiàn)新的可能，公園中的“鵬城花開(kāi)”雕塑和“寶安”雕塑就是具有代表性的創(chuàng)新作品。

“鵬城花開(kāi)”雕塑的分塊示意

“鵬城花開(kāi)”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(jì)原型為簕杜鵑，為模擬其花瓣有機(jī)、無(wú)序的形態(tài)，雕塑主體設(shè)計(jì)為數(shù)組起伏的曲面。對(duì)這個(gè)雕塑進(jìn)行打印路徑規(guī)劃的難點(diǎn)在于，即便將雕塑拆分為5個(gè)獨(dú)立的分塊，每個(gè)分塊仍無(wú)法簡(jiǎn)單用連續(xù)變化的平面或者曲面進(jìn)行切分。因此，徐衛(wèi)國(guó)教授研究團(tuán)隊(duì)使用一組漸變的不規(guī)則曲面來(lái)切割每個(gè)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(jì)需求分為了幾組不平行的平面。

“鵬城花開(kāi)”雕塑的打印路徑規(guī)劃方法

雕塑的每個(gè)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(lái)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(gè)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(gè)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(duì)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(tuán)隊(duì)嘗試先將雕塑細(xì)分為19組漸變平面，然后在每個(gè)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(gè)平面（c區(qū)域）。依據(jù)這樣的邏輯，整個(gè)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?jī)蓚€(gè)變平面之間用以“找平”的間層。雕塑的變平面在達(dá)到設(shè)計(jì)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(duì)象。

“寶安”雕塑的細(xì)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(shí)現(xiàn)了平整、準(zhǔn)確的頂面效果。

公園原位打印現(xiàn)場(chǎng)

在準(zhǔn)備好3D打印軟件之后，機(jī)器人打印設(shè)備開(kāi)始進(jìn)場(chǎng)安裝及調(diào)試。在現(xiàn)場(chǎng)原位打印時(shí)，有四組設(shè)備協(xié)同工作，它們需要對(duì)周邊坐標(biāo)和彼此之間的相對(duì)位置進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保和環(huán)境現(xiàn)狀的準(zhǔn)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(dòng)化和智能化要求設(shè)計(jì)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(chǎng)

在硬件及軟件調(diào)試后，四組打印設(shè)備同時(shí)協(xié)同運(yùn)行，共同完成了河流鋪地廣場(chǎng)區(qū)域的曲線分隔條打印。除現(xiàn)場(chǎng)原位打印外，大部分小品在場(chǎng)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(jī)器人3D打印設(shè)備及一套機(jī)器人3D打印移動(dòng)平臺(tái)，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(guò)程

公園花箱

公園雕塑花池座椅

產(chǎn)品打印完成后，經(jīng)過(guò)3天左右的自然養(yǎng)護(hù)即可進(jìn)行安裝。團(tuán)隊(duì)針對(duì)每種產(chǎn)品進(jìn)行了必要的安裝構(gòu)造及吊裝設(shè)計(jì)，并與現(xiàn)場(chǎng)施工團(tuán)隊(duì)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(chǎng)濕作業(yè)的工作量。之后，結(jié)合整個(gè)場(chǎng)地的設(shè)計(jì)概念進(jìn)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(diǎn)綴其中，環(huán)境飾品及園林小品展現(xiàn)出自然有機(jī)的生態(tài)美感。

隨著國(guó)家對(duì)3D打印建筑的體量與建設(shè)需求的增大，多臺(tái)機(jī)械臂的打印路徑協(xié)同、實(shí)時(shí)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(jìn)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(guó)教授團(tuán)隊(duì)）

相較于傳統(tǒng)的施工方式，這些結(jié)合了數(shù)字化設(shè)計(jì)與機(jī)器人輔助建造的新方法能夠有效地減少建造過(guò)程中材料、時(shí)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(guó)際研究生院徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的機(jī)器人3D打印建造技術(shù)，就是一種基于自動(dòng)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(jià)、環(huán)保生態(tài)、保證質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。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(jī)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(lái)嶄新的面貌。

公園使用場(chǎng)景

以上內(nèi)容參考節(jié)選自：

[1] 黃舒弈，張宇，徐衛(wèi)國(guó). 機(jī)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(guó)，張宇，高遠(yuǎn)，孫晨煒. 機(jī)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(bào), 2021年10月19日(A04).