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 ＊

徐衛(wèi)國 張宇 高遠 孫晨煒

機器人3D打印混凝土建造技術(shù)基于數(shù)字建筑設(shè)計及機器人自控系統(tǒng)，將3D打印技術(shù)與特種混凝土材料技術(shù)相結(jié)合，是一種創(chuàng)新型房屋及環(huán)境智能建造技術(shù)。這一科研成果由清華大學(xué)建筑學(xué)院及深圳國際研究生院未來人居研究院徐衛(wèi)國教授的跨學(xué)科團隊自主研發(fā)，目前正在進行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。2021年9月，團隊首次在深圳寶安區(qū)實現(xiàn)了世界最大規(guī)模的3D打印城市公園的建設(shè)嘗試。到目前為止，已運用該技術(shù)建成了新農(nóng)村住宅、肯尼亞經(jīng)濟房、步行橋、圖書屋等項目。

1 智能建造——數(shù)字時代城市建筑與環(huán)境建設(shè)的新舉措

智能建造已成為國家建筑業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。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》，提出要以大力發(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)的應(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)鏈一體的智能建造產(chǎn)業(yè)體系。

智能建造指在房屋建造或環(huán)境建設(shè)的全過程中，各專業(yè)充分利用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)建造目標(biāo)。其特點在于“全過程”自始至終具有連續(xù)且共享的數(shù)字流，它從建筑方案設(shè)計開始，經(jīng)過后續(xù)階段各專業(yè)不斷添加、修改、反饋形成優(yōu)化的建筑信息，以此數(shù)字流為依據(jù)，依靠互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)、CNC數(shù)控設(shè)備、3D打印、機器臂等智能機械，實現(xiàn)高精度、高效率、環(huán)保性的物質(zhì)建造與運營服務(wù)，形成新的“數(shù)字建筑及環(huán)境建設(shè)產(chǎn)業(yè)網(wǎng)鏈”。

智能建造能夠緩解我國建設(shè)行業(yè)面臨的勞動力驟減危機。國家統(tǒng)計局2021年4月30日發(fā)布的“2020年農(nóng)民工監(jiān)測調(diào)查報告”顯示，我國農(nóng)民工總量減少，流動半徑進一步縮小。據(jù)預(yù)測，2022年起農(nóng)民工數(shù)量將每年減少1 000萬人，十年共將減少1億人。然而，我國仍有大量房屋及基礎(chǔ)設(shè)施需要建設(shè)，要避免這一危機的發(fā)生，用機器人替代工人的智能建造勢在必行。同時，智能建造可以把工人從繁重的體力勞動中解放出來，從而實現(xiàn)真正的社會公平。

2 機器人打印建造——跨學(xué)科集成性智能建造產(chǎn)業(yè)技術(shù)

機器人3D打印混凝土建造技術(shù)是一種智能建造技術(shù)，建造工藝流程包括算法生成創(chuàng)意設(shè)計、數(shù)字形態(tài)建模、打印路徑規(guī)劃、打印程序編碼、虛擬打印建造模擬、現(xiàn)場原位打印、現(xiàn)場預(yù)制打印及裝配。它將房屋或景觀建設(shè)全過程數(shù)字化集成，并分為虛擬建造及實物打印建造兩大部分，建造過程中連續(xù)的數(shù)字信息流及物質(zhì)性建造流相輔相成，形成了一體化智能建造流程。該技術(shù)涉及不同的行業(yè)，包括基于算法生成的建筑創(chuàng)意設(shè)計、路徑規(guī)劃及控制軟件的開發(fā)、機器人及打印設(shè)備的集成制造、打印材料的混合生產(chǎn)、建筑施工的數(shù)字工地等。它的推廣使用不僅將傳統(tǒng)房屋建設(shè)產(chǎn)業(yè)升級，而且將帶動新的數(shù)字建造產(chǎn)業(yè)鏈的形成，其各個環(huán)節(jié)都將產(chǎn)生新的生產(chǎn)行業(yè)。

3 深圳寶安3D 打印公園的設(shè)計生成及智能建造

公園位于寶安會展中心17號館前，用地面積5 523.3m，建設(shè)過程中使用了4套機器人打印設(shè)備，從設(shè)計到建成用時近3個月（圖1）。

1 公園全景

2-3 公園局部 河流型道路

3.1 設(shè)計概念

設(shè)計靈感來源于“溪谷清流”，將蜿蜒的道路曲線和自然起伏的地形融合，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（圖2,3）。園區(qū)內(nèi)所有3D打印景觀小品以“水”的靈動作為原初設(shè)計思想，突出機器人3D打印混凝土技術(shù)在建造特殊曲面造型時的優(yōu)勢。在綠意盎然的草地上，通過算法生成的3D打印道路如同水流活潑奔涌，自然地將游人引向各個景觀點。在高低起伏的道路之間，有機地形成大大小小的“島嶼”，有些是雕塑景觀平臺，有些是花壇與座椅結(jié)合的休閑空間，有些布置了環(huán)境飾品。同時，“水”的概念貫穿于各種園林小品的設(shè)計中，流動的溪澗滋養(yǎng)出豐茂的百草，北側(cè)一朵象征生機與幸運的三葉草寄托著健康、真愛與名譽的祈愿（圖4,5）；南端的溪水形成一道回旋，正中間開出象征深圳市的勒杜鵑花，歡迎著四面八方的來客。花壇座椅、擋土墻的造型都融入了靈動的水流曲線之中，呼應(yīng)深圳建設(shè)全球海洋中心城市的未來愿景（圖6-8）。

3.2 設(shè)計生成

首先，借助Grasshopper插件Quelea的粒子群優(yōu)化算法，通過人流模擬預(yù)測場地日后的人群活動狀態(tài)。在模擬計算時，將場地中的三個出入口以及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，通過人流熱度分析得到其他潛在的人群聚集區(qū)域及活動路徑（圖9）。

其次，在分析人流熱度之后引入奇異吸引子算法，將人流熱度圖轉(zhuǎn)換為奇異吸引子運動圖形，量化人流熱度圖中每個吸引點的輻射半徑和密度，使得吸引點周邊的點不斷在輻射范圍內(nèi)偏移，從而得到兼具混沌感與規(guī)律性的流線造型，將其作為公園總體規(guī)劃的雛形，并進一步深化設(shè)計（圖10）。

最后，以公園規(guī)劃設(shè)計平面為基礎(chǔ)建立公園的虛擬三維模型。根據(jù)公園景觀及觀賞要求，分別設(shè)置主題雕塑、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，這些環(huán)境飾品及園林小品的設(shè)計均由算法生成，既滿足使用和觀賞的要求，又具有優(yōu)美的有機形態(tài)。

4-5 三葉草雕塑 勒杜鵑雕塑

6-7 花壇座椅 擋土墻

8 使用場景

3.3 打印路徑規(guī)劃

在三維模型的基礎(chǔ)上，進行公園實景3D打印路徑規(guī)劃，即把三維模型轉(zhuǎn)換為機械臂運動的路線及其操作代碼。由于景觀具有不規(guī)則的有機形態(tài)，因此采用區(qū)別于一般同層同高疊層打印的三維打印路徑，可以更好地表現(xiàn)曲面造型。在原位打印中，河流狀鋪地的基礎(chǔ)是三維路面，且打印物件自身也是曲面造型，這就需要設(shè)備貼合曲面進行打??；在造型復(fù)雜的雕塑打印中，打印路徑不僅要包含每個路徑點的空間坐標(biāo)信息，同時也需要設(shè)計每個點的三維向量信息，大幅提升了路徑規(guī)劃的復(fù)雜度。目前現(xiàn)有的任何打印路徑規(guī)劃算法都無法契合混凝土3D打印的要求，設(shè)計團隊采用了許多原創(chuàng)的參數(shù)化編程方式，使得路徑規(guī)劃的自動化修改和糾錯變得更加簡單。

同時，路徑規(guī)劃中也需要考慮多方面因素，減小實際打印時可能產(chǎn)生的誤差。比如，材料特性帶來的形變誤差、不同構(gòu)件安裝時需要的配合誤差、打印寬度變化帶來的外形尺寸誤差等，都需要經(jīng)過多次實驗得出可靠的結(jié)果，才能在路徑規(guī)劃時進行合理消除，使得最終打印物的呈現(xiàn)效果達到最佳。

9-10 人流模擬圖 公園規(guī)劃設(shè)計總平面圖

3.4 原位打印及預(yù)制打印吊裝

在準(zhǔn)備好打印軟件之后，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(biāo)和彼此之間的相對位置進行校準(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)包含打印材料運輸、材料攪拌、材料泵送、機械臂運動系統(tǒng)、打印前端系統(tǒng)等，均按照自動化和智能化要求設(shè)計和調(diào)試，以最大程度減少人力。

在硬件及軟件調(diào)試后，四組打印設(shè)備協(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?。▓D11）。除現(xiàn)場原位打印外，大部分小品在旁邊的工棚內(nèi)預(yù)制打印，之后吊裝就位。工棚內(nèi)安裝三套固定機器人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，高質(zhì)高效地完成了珊瑚鋪地、雕塑、座椅、擋土墻等小品的打印任務(wù)（圖12）。

11 公園原位打印現(xiàn)場

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（圖12-15）。

12-15 打印過程 花箱

4 城市公園打印建設(shè)模式及優(yōu)勢

4.1 城市公園打印建設(shè)新模式

通過深圳寶安3D打印公園項目的實施，我們可以總結(jié)出新的城市環(huán)境建設(shè)模式（圖16）：1）從使用者行為模擬中獲得其活動規(guī)律；2）基于使用者活動規(guī)律，用算法生成規(guī)劃設(shè)計；3）以公園設(shè)計概念為前提，對公園地形、道路、護坡、擋土墻、雕塑、小品等實施三維建模、渲染表現(xiàn)，并確定公園建設(shè)方案；4）對已確定的公園實景三維模型進行打印路徑規(guī)劃，編寫打印代碼，同時進行打印模擬并消除錯誤；5）機器人3D打印混凝土智能設(shè)備進場及調(diào)試；6）現(xiàn)場預(yù)制打印及原位打印景觀實物；7）預(yù)制景觀實物安裝及綠化配植。

16 城市公園新的建設(shè)模式

4.2 城市公園打印建設(shè)的優(yōu)勢

城市公園打印建設(shè)的優(yōu)勢體現(xiàn)在：1）節(jié)省人力，由于智能機械臂替代了人工勞動，整個建設(shè)過程可節(jié)約人力60%，將有效解決勞動力缺乏及成本較高的問題；2）提高效率，電腦的虛擬建造過程使得物質(zhì)性建造的準(zhǔn)確率大大提高，避免了各種不必要的浪費和返工，同時智能機器臂可以連續(xù)不斷地運轉(zhuǎn)，縮短了建設(shè)周期；3）降低造價，從直接投入來說，由于減少人力、縮短周期、避免浪費，其工程造價比傳統(tǒng)工程節(jié)省10%～20%，同時，我們研發(fā)的打印混凝土建筑體系不使用鋼筋、模板，節(jié)省了材料的投入；4）保證質(zhì)量，智能系統(tǒng)及智能設(shè)備大大提高了建造精度，從而保證建造質(zhì)量；5）環(huán)保生態(tài)，由于建造工藝有效合理的組織規(guī)劃，建造過程沒有污染，同時以機制沙粒及部分工礦廢渣作為打印材料，保證了整個建設(shè)環(huán)節(jié)的節(jié)能環(huán)保；6）創(chuàng)造新形象，由于其創(chuàng)意設(shè)計基于算法生成，同時使用可空間運動的智能機器臂進行建造，該技術(shù)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)，給生活環(huán)境帶來嶄新的面貌。

1-16 徐衛(wèi)國教授團隊提供

項目名稱：深圳寶安3D打印公園

業(yè)主：深圳市寶安區(qū)建筑工務(wù)署

建設(shè)地點：深圳市寶安區(qū)會展中心17號館前

項目負責(zé)人：徐衛(wèi)國

數(shù)字設(shè)計：清華大學(xué)建筑學(xué)院

3D打?。簾o錫荷清數(shù)字建筑科技有限公司

設(shè)計與施工團隊：徐衛(wèi)國、高遠、何雨婷、梅玥、黃舒弈、趙夏瑀、胡寒陽、韓銀行（數(shù)字設(shè)計）；孫晨煒、王智、崔方、林志鵬、銀玙棟、張志齡、毛宇軒、莊元旭（3D打印）

園林設(shè)計：中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司

工程總承包：中國二十冶集團有限公司

總用地面積：5 523.3m

設(shè)計時間：2020.05

建成時間：2020.09

攝影：徐衛(wèi)國教授團隊