徐衛(wèi)國(guó) 張宇 高遠(yuǎn) 孫晨煒

機(jī)器人3D打印混凝土建造技術(shù)基于數(shù)字建筑設(shè)計(jì)及機(jī)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(guó)際研究生院未來(lái)人居研究院徐衛(wèi)國(guó)教授的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)，目前正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。2021年9月，團(tuán)隊(duì)首次在深圳寶安區(qū)實(shí)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(yùn)用該技術(shù)建成了新農(nóng)村住宅、肯尼亞經(jīng)濟(jì)房、步行橋、圖書(shū)屋等項(xiàng)目。

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

智能建造已成為國(guó)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(mén)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)》，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(jí)為動(dòng)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(jì)、生產(chǎn)加工、施工裝配、運(yùn)營(yíng)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(guò)程中，各專(zhuān)業(yè)充分利用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)建造目標(biāo)。其特點(diǎn)在于“全過(guò)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(jì)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)后續(xù)階段各專(zhuān)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(jī)器臂等智能機(jī)械，實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、環(huán)保性的物質(zhì)建造與運(yùn)營(yíng)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(guó)建設(shè)行業(yè)面臨的勞動(dòng)力驟減危機(jī)。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2021年4月30日發(fā)布的“2020年農(nóng)民工監(jiān)測(cè)調(diào)查報(bào)告”顯示，我國(guó)農(nóng)民工總量減少，流動(dòng)半徑進(jìn)一步縮小。據(jù)預(yù)測(cè)，2022年起農(nóng)民工數(shù)量將每年減少1 000萬(wàn)人，十年共將減少1億人。然而，我國(guó)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(jī)的發(fā)生，用機(jī)器人替代工人的智能建造勢(shì)在必行。同時(shí)，智能建造可以把工人從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)真正的社會(huì)公平。

2 機(jī)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(jī)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(jì)、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(chǎng)原位打印、現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制打印及裝配。它將房屋或景觀(guān)建設(shè)全過(guò)程數(shù)字化集成，并分為虛擬建造及實(shí)物打印建造兩大部分，建造過(guò)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(jì)、路徑規(guī)劃及控制軟件的開(kāi)發(fā)、機(jī)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(jí)，而且將帶動(dòng)新的數(shù)字建造產(chǎn)業(yè)鏈的形成，其各個(gè)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(jì)生成及智能建造

公園位于寶安會(huì)展中心17號(hào)館前，用地面積5 523.3m，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)到建成用時(shí)近3個(gè)月（圖1）。

1 公園全景

2-3 公園局部 河流型道路

3.1 設(shè)計(jì)概念

設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于“溪谷清流”，將蜿蜒的道路曲線(xiàn)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(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（圖2,3）。園區(qū)內(nèi)所有3D打印景觀(guān)小品以“水”的靈動(dòng)作為原初設(shè)計(jì)思想，突出機(jī)器人3D打印混凝土技術(shù)在建造特殊曲面造型時(shí)的優(yōu)勢(shì)。在綠意盎然的草地上，通過(guò)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(gè)景觀(guān)點(diǎn)。在高低起伏的道路之間，有機(jī)地形成大大小小的“島嶼”，有些是雕塑景觀(guān)平臺(tái)，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(shí)，“水”的概念貫穿于各種園林小品的設(shè)計(jì)中，流動(dòng)的溪澗滋養(yǎng)出豐茂的百草，北側(cè)一朵象征生機(jī)與幸運(yùn)的三葉草寄托著健康、真愛(ài)與名譽(yù)的祈愿（圖4,5）；南端的溪水形成一道回旋，正中間開(kāi)出象征深圳市的勒杜鵑花，歡迎著四面八方的來(lái)客?；▔?、擋土墻的造型都融入了靈動(dòng)的水流曲線(xiàn)之中，呼應(yīng)深圳建設(shè)全球海洋中心城市的未來(lái)愿景（圖6-8）。

3.2 設(shè)計(jì)生成

首先，借助Grasshopper插件Quelea的粒子群優(yōu)化算法，通過(guò)人流模擬預(yù)測(cè)場(chǎng)地日后的人群活動(dòng)狀態(tài)。在模擬計(jì)算時(shí)，將場(chǎng)地中的三個(gè)出入口以及南北各一個(gè)景觀(guān)觀(guān)賞點(diǎn)作為影響人流運(yùn)動(dòng)的要素，從而得到蜿蜒復(fù)雜的人群運(yùn)行軌跡。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)人流熱度分析得到其他潛在的人群聚集區(qū)域及活動(dòng)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(yùn)動(dòng)圖形，量化人流熱度圖中每個(gè)吸引點(diǎn)的輻射半徑和密度，使得吸引點(diǎn)周邊的點(diǎn)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(xiàn)造型，將其作為公園總體規(guī)劃的雛形，并進(jìn)一步深化設(shè)計(jì)（圖10）。

最后，以公園規(guī)劃設(shè)計(jì)平面為基礎(chǔ)建立公園的虛擬三維模型。根據(jù)公園景觀(guān)及觀(guān)賞要求，分別設(shè)置主題雕塑、花壇坐椅、曲面擋土墻、花箱樹(shù)池、曲線(xiàn)型護(hù)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(jì)均由算法生成，既滿(mǎn)足使用和觀(guān)賞的要求，又具有優(yōu)美的有機(jī)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(chǎng)景

3.3 打印路徑規(guī)劃

在三維模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行公園實(shí)景3D打印路徑規(guī)劃，即把三維模型轉(zhuǎn)換為機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的路線(xiàn)及其操作代碼。由于景觀(guān)具有不規(guī)則的有機(jī)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(jìn)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(gè)路徑點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息，同時(shí)也需要設(shè)計(jì)每個(gè)點(diǎn)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(wú)法契合混凝土3D打印的要求，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(dòng)化修改和糾錯(cuò)變得更加簡(jiǎn)單。

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

9-10 人流模擬圖 公園規(guī)劃設(shè)計(jì)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(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)包含打印材料運(yùn)輸、材料攪拌、材料泵送、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、打印前端系統(tǒng)等，均按照自動(dòng)化和智能化要求設(shè)計(jì)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(yùn)行，共同完成了河流鋪地廣場(chǎng)區(qū)域的曲線(xiàn)分隔條打?。▓D11）。除現(xiàn)場(chǎng)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(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(mǎn)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(chǎng)

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（圖12-15）。

12-15 打印過(guò)程 花箱

4 城市公園打印建設(shè)模式及優(yōu)勢(shì)

4.1 城市公園打印建設(shè)新模式

通過(guò)深圳寶安3D打印公園項(xiàng)目的實(shí)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(dòng)規(guī)律；2）基于使用者活動(dòng)規(guī)律，用算法生成規(guī)劃設(shè)計(jì)；3）以公園設(shè)計(jì)概念為前提，對(duì)公園地形、道路、護(hù)坡、擋土墻、雕塑、小品等實(shí)施三維建模、渲染表現(xiàn)，并確定公園建設(shè)方案；4）對(duì)已確定的公園實(shí)景三維模型進(jìn)行打印路徑規(guī)劃，編寫(xiě)打印代碼，同時(shí)進(jìn)行打印模擬并消除錯(cuò)誤；5）機(jī)器人3D打印混凝土智能設(shè)備進(jìn)場(chǎng)及調(diào)試；6）現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制打印及原位打印景觀(guān)實(shí)物；7）預(yù)制景觀(guān)實(shí)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(shì)

城市公園打印建設(shè)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：1）節(jié)省人力，由于智能機(jī)械臂替代了人工勞動(dòng)，整個(gè)建設(shè)過(guò)程可節(jié)約人力60%，將有效解決勞動(dòng)力缺乏及成本較高的問(wèn)題；2）提高效率，電腦的虛擬建造過(guò)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(fèi)和返工，同時(shí)智能機(jī)器臂可以連續(xù)不斷地運(yùn)轉(zhuǎn)，縮短了建設(shè)周期；3）降低造價(jià)，從直接投入來(lái)說(shuō)，由于減少人力、縮短周期、避免浪費(fèi)，其工程造價(jià)比傳統(tǒng)工程節(jié)省10%～20%，同時(shí)，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(guò)程沒(méi)有污染，同時(shí)以機(jī)制沙粒及部分工礦廢渣作為打印材料，保證了整個(gè)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(jì)基于算法生成，同時(shí)使用可空間運(yùn)動(dòng)的智能機(jī)器臂進(jìn)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(jī)建筑形態(tài)，給生活環(huán)境帶來(lái)嶄新的面貌。

1-16 徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)提供

項(xiàng)目名稱(chēng)：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(diǎn)：深圳市寶安區(qū)會(huì)展中心17號(hào)館前

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：徐衛(wèi)國(guó)

數(shù)字設(shè)計(jì)：清華大學(xué)建筑學(xué)院

3D打?。簾o(wú)錫荷清數(shù)字建筑科技有限公司

設(shè)計(jì)與施工團(tuán)隊(duì)：徐衛(wèi)國(guó)、高遠(yuǎn)、何雨婷、梅玥、黃舒弈、趙夏瑀、胡寒陽(yáng)、韓銀行（數(shù)字設(shè)計(jì)）；孫晨煒、王智、崔方、林志鵬、銀玙棟、張志齡、毛宇軒、莊元旭（3D打?。?/p>

園林設(shè)計(jì)：中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司

工程總承包：中國(guó)二十冶集團(tuán)有限公司

總用地面積：5 523.3m

設(shè)計(jì)時(shí)間：2020.05

建成時(shí)間：2020.09

攝影：徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)