清華大學(xué)深圳國際研究生院*D打印混凝土技術(shù)“打印”城市公園

深圳寶安*D打印公園全景

為響應國家號召，積極回應數字時(shí)代國家城市建筑與環(huán)境建設的新需求，清華大學(xué)深圳國際研究生院未來(lái)人居研究院徐衛國教授吉印通清華大學(xué)建筑學(xué)院進(jìn)行了跨學(xué)科團隊的自主研發(fā)和創(chuàng )新，將*D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(huì )展中心17號館前的深圳寶安*D打印公園就是其進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應用的生動(dòng)實(shí)踐打印。據悉，“打印”一座城市廣場(chǎng)，是*D打印混凝土新技術(shù)首次在全球的市政工程建設的實(shí)際應用。

溪谷清流：用*D技術(shù)打造自由靈動(dòng)的城市綠意空間

深圳寶安*D打印公園位于寶安會(huì )展中心17號館前，用地面積**2*.*平方米，建設過(guò)程中使用了四套機器人打印設備，從設計到建成用了近三個(gè)月的時(shí)間打印。作為全國第一個(gè)應用*D打印技術(shù)的城市綠地花園，深圳寶安*D打印公園在2021年9月就首次實(shí)現了世界最大規模的*D打印城市公園建設嘗試。

公園的設計概念為“溪谷清流”，蜿蜒的道路曲線(xiàn)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合，創(chuàng )造出獨特的自然空間打印。

河流型道路

園區內所有*D打印景觀(guān)小品以“水”的靈動(dòng)作為原初設計思想，突出機器人*D打印混凝土技術(shù)在建造特殊曲面造型時(shí)的優(yōu)勢；在綠意盎然的草地上，通過(guò)算法生成的*D打印道路如同水流活潑奔涌，自然地將游人引向各個(gè)景觀(guān)點(diǎn)；在高低起伏的道路之間，有機地形成大大小小的“島嶼”，有些是*D打印的雕塑景觀(guān)平臺，有些是*D打印的花壇與座椅結合的休閑空間，有些布置了*D打印的環(huán)境飾品打印。

簕杜鵑雕塑

三葉草雕塑

“水”的概念同時(shí)貫穿場(chǎng)地上各種園林小品的設計，場(chǎng)地的北側開(kāi)出一朵象征生機與幸運的三葉草，寄托著(zhù)著(zhù)健康、真愛(ài)與名譽(yù)的祈愿；場(chǎng)地的南端，溪水形成一道回旋，正中間開(kāi)出象征深圳市的簕杜鵑，歡迎著(zhù)四面八方的來(lái)客打印。花壇座椅、擋土墻的造型都融入了水流靈動(dòng)的曲線(xiàn)之中，呼應深圳建設全球海洋中心城市的未來(lái)愿景。

科學(xué)分析：用人流熱度模擬規劃公園設計

在公園的整體規劃設計上，徐衛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(guò)人流模擬對場(chǎng)地日后的人群活動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行預測；在模擬計算時(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(guān)觀(guān)賞點(diǎn)作為影響人流運動(dòng)的要素，從而得到場(chǎng)地上蜿蜒復雜的人群運行軌跡打印。在此基礎上，通過(guò)人流熱度分析的方法，得到其他潛在的人群聚集區域及人群活動(dòng)的路徑。

根據人流模擬生成的人流路徑圖

公園三維總體模型

其次，在人流熱度分析之后引入奇異吸引子算法，將人流熱度圖轉換為奇異吸引子運動(dòng)圖形；在轉換計算過(guò)程中，將人流熱度圖中每個(gè)吸引點(diǎn)的輻射半徑和密度進(jìn)行量化，使得吸引點(diǎn)周邊的點(diǎn)不斷向吸引點(diǎn)的輻射范圍內偏移，從而得到兼具混沌感與規律性的流線(xiàn)性造型，并把這一通過(guò)計算得到的形態(tài)作為公園總體規劃雛形，發(fā)展這一形狀便獲得公園規劃設計打印。

以上述公園規劃設計平面為基礎，建立公園的虛擬三維模型；在建模時(shí)，根據公園景觀(guān)及觀(guān)賞要求，分別設置了主題雕塑、花壇坐椅、曲面擋土墻、花箱樹(shù)池、曲線(xiàn)型護坡、曲面綠植花墻、主題構筑物等物件打印。這些環(huán)境飾品及園林小品的設計均采取了算法生成的方法，使得造型既滿(mǎn)足觀(guān)賞者使用和觀(guān)賞的要求，又具有優(yōu)美的有機形態(tài)。

創(chuàng )新探索：*D打印路徑規劃的技術(shù)革新

在徐衛國教授團隊所設計的深圳寶安*D打印公園中，研究團隊對諸多景觀(guān)小品的打印路徑規劃形式進(jìn)行了創(chuàng )新探索，如變曲面打印和間層打印技術(shù)打印。通過(guò)技術(shù)創(chuàng )新，研究團隊使機械臂*D打印混凝土建造在打印路徑規劃上實(shí)現新的可能，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)的代表打印。該雕塑的體量約為2*00mm*2700mm*1*00mm，設計原型為簕杜鵑，為模擬其花瓣有機、無(wú)序的形態(tài)，雕塑主體設計為數組起伏的曲面。對這個(gè)雕塑進(jìn)行打印路徑規劃的難點(diǎn)在于，即便將雕塑拆分為五個(gè)獨立的分塊，每個(gè)分塊仍無(wú)法簡(jiǎn)單用連續變化的平面或者曲面進(jìn)行切分。因此，徐衛國教授研究團隊使用一組漸變的不規則曲面來(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(xiàn)，而底部則根據設計需求分為了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四部分主要的結構：第一部分為雕塑的基礎，第二部分為變平面打印的花瓣，第三部分則為雙層變曲面打印的花瓣，第四部分則為單層變曲面打印的花瓣，用以收住整個(gè)不規則頂面打印。

“寶安”雕塑模型

“寶安”雕塑則是間層打印技術(shù)的代表打印。該雕塑的體量約為*900mm***00mm***0mm，是以深圳市寶安區的LOGO作為展示對象，結合“fuzzy-cradle”分形曲線(xiàn)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(gè)平面內采用間層打印的方法，首層先打印雕塑平面的1/*（a區域），然后打印2/*（b區域），到第三層才完整地打印整個(gè)平面（c區域）打印。依據這樣的邏輯，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?jì)蓚€(gè)變平面之間用以“找平”的間層。雕塑的變平面在達到設計所需斜度后，于頂部采用水平逐層打印方式完成最后*層打印路徑（d區域），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”雕塑側面呈現出疏密有致的紋理，高品質(zhì)地實(shí)現了平整、準確的頂面效果打印。

智能協(xié)同：公園原位打印及預制打印吊裝

公園原位打印現場(chǎng)

在準備好*D打印軟件之后，機器人打印設備開(kāi)始進(jìn)場(chǎng)安裝及調試打印。在現場(chǎng)原位打印時(shí)，有四組設備協(xié)同工作，它們需要對周邊坐標和彼此之間的相對位置進(jìn)行校準，以確保和環(huán)境現狀的準確匹配。由工藝流程串聯(lián)的一整套打印系統均按照自動(dòng)化和智能化要求設計和調試，最大程度減少了人力。

公園小品預制打印現場(chǎng)

公園雕塑花池座椅

在硬件及軟件調試后，四組打印設備同時(shí)協(xié)同運行，共同完成了河流鋪地廣場(chǎng)區域的曲線(xiàn)分隔條打印打印。除現場(chǎng)原位打印外，大部分小品在場(chǎng)地旁邊的工棚內預制打印之后吊裝就位。在工棚內，安裝了三套固定的機器人*D打印設備及一套機器人*D打印移動(dòng)平臺，可滿(mǎn)足大尺度構件的打印要求，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)。

產(chǎn)品打印完成后，經(jīng)過(guò)三天左右的自然養護即可進(jìn)行安裝打印。團隊針對每種產(chǎn)品進(jìn)行了必要的安裝構造及吊裝設計，并與現場(chǎng)施工團隊配合，完成了打印產(chǎn)品的定位、吊裝、構造連接、勾縫、表面處理等后續工藝。由于*D打印產(chǎn)品的精度較高，安裝縫隙較小，減少了現場(chǎng)濕作業(yè)的工作量。之后，結合整個(gè)場(chǎng)地的設計概念進(jìn)行綠化種植，自然起伏的地形表面覆蓋柔軟濃密的草坪，數棵高大的喬木點(diǎn)綴其中，環(huán)境飾品及園林小品展現出自然有機的生態(tài)美感。

顛覆傳統：清華SIGS團隊為國家智能建造貢獻力量

隨著(zhù)國家對*D打印建筑的體量與建設需求的增大，多臺機械臂的打印路徑協(xié)同、實(shí)時(shí)速度控制、智能打印路徑生成等領(lǐng)域都是*D打印混凝土行業(yè)內正在進(jìn)行探索并不斷突破的話(huà)題打印。

技術(shù)集成性智能建造產(chǎn)業(yè)（徐衛國教授團隊）

公園使用場(chǎng)景

相較于傳統的施工方式，這些結合了數字化設計與機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打印。清華大學(xué)深圳國際研究生院徐衛國教授團隊自主研發(fā)的機器人*D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，具備節省人力、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)。它不僅可以建設傳統的建筑形體，并且可以建造各種豐富的有機建筑形態(tài)，符合了當今世界綠色環(huán)保的生態(tài)主題，將為我們的生活環(huán)境和智能建造行業(yè)帶來(lái)嶄新的面貌。

（供稿：清華大學(xué)）