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1*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。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1*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。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*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。

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。

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?；▔?、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。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。

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。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)。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。該雕塑的體量約為2600mm*2*00mm*1800mm，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。

“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4*00mm**400mm*6*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1*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）。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。

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。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。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。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。

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。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)）