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

為響應國度號召，積極回應數字時(shí)代國度城市建筑與情況建立的新需求，清華大學(xué)深圳國際研究生院將來(lái)人居研究院徐衛國傳授吉印通清華大學(xué)建筑學(xué)院停止了跨學(xué)科團隊的自主研發(fā)和立異，將*D打印混凝土手藝變成一項跨學(xué)科的集成性智能建造財產(chǎn)手藝，位于寶安會(huì )展中心17號館前的深圳寶安*D打印公園就是其停止財產(chǎn)化應用的生動(dòng)理論。據悉，“打印”一座城市廣場(chǎng)，是*D打印混凝土新手藝初次在全球的市政工程建立的現實(shí)應用。

溪谷清流：用*D手藝打造自在靈動(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，用空中積552*.*平方米，建立過(guò)程中利用了四套機器人打印設備，從設想到建成用了近三個(gè)月的時(shí)間。做為全國第一個(gè)應用*D打印手藝的城市綠地花園，深圳寶安*D打印公園在2021年9月就初次實(shí)現了世界更大規模的*D打印城市公園建立測驗考試。

公園的設想概念為“溪谷清流”，蜿蜒的道路曲線(xiàn)和天然起伏的地形交融在一路，模仿清泉流淌于溪谷間的形態(tài)，外型生動(dòng)靈敏的園林小品與程度延展的地形完美連系，締造出奇特的天然空間。

河流型道路

園區內所有*D打印景不雅小品以“水”的靈動(dòng)做為原初設想思惟，凸起機器人*D打印混凝土手藝在建造特殊曲面外型時(shí)的優(yōu)勢；在綠意盎然的草地上，通過(guò)算法生成的*D打印道路好像水流活潑奔涌，天然地將游人引向各個(gè)景概念；在凹凸起伏的道路之間，有機地構成大大小小的“島嶼”，有些是*D打印的雕塑景不雅平臺，有些是*D打印的花壇與座椅連系的休閑空間，有些安插了*D打印的情況飾品。

簕杜鵑雕塑

三葉草雕塑

“水”的概念同時(shí)貫串場(chǎng)地上各類(lèi)園林小品的設想，場(chǎng)地的北側開(kāi)出一朵象征活力與幸運的三葉草，依靠著(zhù)著(zhù)安康、實(shí)愛(ài)與名望的祈愿；場(chǎng)地的南端，溪水構成一道盤(pán)旋，正中間開(kāi)出象征深圳市的簕杜鵑，歡送著(zhù)四面八方的來(lái)客?；▔?、擋土墻的外型都融入了水流靈動(dòng)的曲線(xiàn)之中，照應深圳建立全球海洋中心城市的將來(lái)愿景。

科學(xué)闡發(fā)：用人流熱度模仿規劃公園設想

在公園的整體規劃設想上，徐衛國傳授團隊起首借助GH的插件QUELEA的粒子群優(yōu)化算法，通過(guò)人流模仿對場(chǎng)地日后的人群活動(dòng)形態(tài)停止預測；在模仿計算時(shí)，把場(chǎng)地中的三個(gè)收支口以及場(chǎng)地南北各一個(gè)景不雅欣賞點(diǎn)做為影響人流運動(dòng)的要素，從而得參加地上蜿蜒復雜的人群運行軌跡。在此根底上，通過(guò)人流熱度闡發(fā)的辦法，得到其他潛在的人群聚集區域及人群活動(dòng)的途徑。

按照人流模仿生成的人流途徑圖

公園三維總體模子

其次，在人流熱度闡發(fā)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)的輻射半徑和密度停止量化，使得吸引點(diǎn)周邊的點(diǎn)不竭向吸引點(diǎn)的輻射范疇內偏移，從而得到兼具混沌感與規律性的流線(xiàn)性外型，并把那一通過(guò)計算得到的形態(tài)做為公園總體規劃雛形，開(kāi)展那一外形便獲得公園規劃設想。

以上述公園規劃設想平面為根底，成立公園的虛擬三維模子；在建模時(shí)，按照公園景不雅及欣賞要求，別離設置了主題雕塑、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、主題修建物等物件。那些情況飾品及園林小品的設想均采納了算法生成的辦法，使得外型既滿(mǎn)足欣賞者利用和欣賞的要求，又具有漂亮的有機形態(tài)。

立異摸索：*D打印途徑規劃的手藝改革

在徐衛國傳授團隊所設想的深圳寶安*D打印公園中，研究團隊對諸多景不雅小品的打印途徑規劃形式停止了立異摸索，如變曲面打印和間層打印手藝。通過(guò)手藝立異，研究團隊使機械臂*D打印混凝土建造在打印途徑規劃上實(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立異做品。

“鵬城花開(kāi)”雕塑的分塊示意

“鵬城花開(kāi)”雕塑是變曲面打印手藝的代表。該雕塑的體量約為2*00mm*2700mm*1800mm，設想原型為簕杜鵑，為模仿其花瓣有機、無(wú)序的形態(tài)，雕塑主體設想為數組起伏的曲面。對那個(gè)雕塑停止打印途徑規劃的難點(diǎn)在于，即使將雕塑拆分為五個(gè)獨立的分塊，每個(gè)分塊仍無(wú)法簡(jiǎn)單用持續變革的平面或者曲面停止切分。因而，徐衛國傳授研究團隊利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沿曲線(xiàn)，而底部則按照設想需求分為了幾組不服行的平面。

“鵬城花開(kāi)”雕塑的打印途徑規劃辦法

雕塑的每個(gè)分塊也繼而被切分出了四部門(mén)次要的構造：第一部門(mén)為雕塑的根底，第二部門(mén)為變平面打印的花瓣，第三部門(mén)則為雙層變曲面打印的花瓣，第四部門(mén)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”雕塑模子

“寶安”雕塑則是間層打印手藝的代表。該雕塑的體量約為4900mm**400mm**50mm，是以深圳市寶安區的LOGO做為展現對象，連系“fuzzy-cradle”分形曲線(xiàn)算法生成的祥云圖案所構成的雕塑。

“寶安”雕塑打印途徑計劃剖面示意

最末，研究團隊測驗考試先將雕塑細分為19組漸變平面，然后在每個(gè)平面內接納間層打印的辦法，首層先打印雕塑平面的1/*（a區域），然后打印2/*（b區域），到第三層才完好地打印整個(gè)平面（c區域）。根據如許的邏輯，整個(gè)雕塑的打印途徑可分為兩部門(mén)，一部門(mén)是完好切分雕塑主體的一系列變平面，另一部門(mén)是每?jì)蓚€(gè)變平面之間用以“找平”的間層。雕塑的變平面在到達設想所需斜度后，于頂部接納程度逐層打印體例完成最初5層打印途徑（d區域），以凸起展現對象。

“寶安”雕塑的細部與完效果果

間層打印的辦法最末也使得“寶安”雕塑側面呈現出疏密有致的紋理，高品量地實(shí)現了平整、準確的頂面效果。

智能協(xié)同：公園原位打印及預造打印吊拆

公園原位打印現場(chǎng)

在籌辦好*D打印軟件之后，機器人打印設備起頭出場(chǎng)安拆及調試。在現場(chǎng)原位打印時(shí)，有四組設備協(xié)同工做，它們需要對周邊坐標和相互之間的相對位置停止校準，以確保和情況現狀的準確婚配。由工藝流程串聯(lián)的一整套打印系統均根據主動(dòng)化和智能化要求設想和調試，更大程度削減了人力。

公園小品預造打印現場(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，配合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，大部門(mén)小品在場(chǎng)地旁邊的工棚內預造打印之后吊拆就位。在工棚內，安拆了三套固定的機器人*D打印設備及一套機器人*D打印挪動(dòng)平臺，可滿(mǎn)足大標準構件的打印要求，它們高量高效地完成了珊瑚鋪地、雕塑、座椅、擋土墻等小品的全數打印使命。

產(chǎn)物打印完成后，顛末三天擺布的天然養護即可停止安拆。團隊針對每種產(chǎn)物停止了需要的安拆構造及吊拆設想，并與現場(chǎng)施工團隊共同，完成了打印產(chǎn)物的定位、吊拆、構造毗連、勾縫、外表處置等后續工藝。因為*D打印產(chǎn)物的精度較高，安拆裂縫較小，削減了現場(chǎng)濕功課的工做量。之后，連系整個(gè)場(chǎng)地的設想概念停止綠化種植，天然起伏的地形外表籠蓋柔嫩濃密的草坪，數棵高峻的喬木裝點(diǎn)此中，情況飾品及園林小品展示出天然有機的生態(tài)美感。

傾覆傳統：清華SIGS團隊為國度智能建造奉獻力量

跟著(zhù)國度對*D打印建筑的體量與建立需求的增大，多臺機械臂的打印途徑協(xié)同、實(shí)時(shí)速度控造、智能打印途徑生成等范疇都是*D打印混凝土行業(yè)內正在停止摸索其實(shí)不斷打破的話(huà)題。

手藝集成性智能建造財產(chǎn)（徐衛國傳授團隊）

公園利用場(chǎng)景

相較于傳統的施工體例，那些連系了數字化設想與機器人輔助建造的新辦法可以有效地削減建造過(guò)程中質(zhì)料、時(shí)間與人力的消耗，是建筑業(yè)實(shí)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傳授團隊自主研發(fā)的機器人*D打印建造手藝，就是一種基于主動(dòng)控造手藝的智能建造體例，具備節省人力、進(jìn)步效率、降低造價(jià)、環(huán)保生態(tài)、包管量量等長(cháng)處。它不只能夠建立傳統的建筑形體，而且能夠建造各類(lèi)豐碩的有機建筑形態(tài)，契合了當今世界綠色環(huán)保的生態(tài)主題，將為我們的生活情況和智能建造行業(yè)帶來(lái)嶄新的面孔。

（供稿：清華大學(xué)）