清華大學深圳國際研究生院3D打印混凝土技術“打印”城市公園_風聞

深圳寶安3D打印公園全景

為響應國家號召，積極回應數字時代國家城市建築與環境建設的新需求，清華大學深圳國際研究生院未來人居研究院徐衞國教授聯合清華大學建築學院進行了跨學科團隊的自主研發和創新，將3D打印混凝土技術變為一項跨學科的集成性智能建造產業技術，位於寶安會展中心17號館前的深圳寶安3D打印公園就是其進行產業化應用的生動實踐。據悉，“打印”一座城市廣場，是3D打印混凝土新技術首次在全球的市政工程建設的實際應用。

溪谷清流：用3D技術打造自由靈動的城市綠意空間

深圳寶安3D打印公園位於寶安會展中心17號館前，用地面積5523.3平方米，建設過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月的時間。作為全國第一個應用3D打印技術的城市綠地花園，深圳寶安3D打印公園在2021年9月就首次實現了世界最大規模的3D打印城市公園建設嘗試。

公園的設計概念為“溪谷清流”，蜿蜒的道路曲線和自然起伏的地形融合在一起，模擬清泉流淌於溪谷間的形態，造型生動靈活的園林小品與水平延展的地形完美結合，創造出獨特的自然空間。

河流型道路

園區內所有3D打印景觀小品以“水”的靈動作為原初設計思想，突出機器人3D打印混凝土技術在建造特殊曲面造型時的優勢；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湧，自然地將遊人引向各個景觀點；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3D打印的雕塑景觀平台，有些是3D打印的花壇與座椅結合的休閒空間，有些佈置了3D打印的環境飾品。

簕杜鵑雕塑

三葉草雕塑

“水”的概念同時貫穿場地上各種園林小品的設計，場地的北側開出一朵象徵生機與幸運的三葉草，寄託着着健康、真愛與名譽的祈願；場地的南端，溪水形成一道迴旋，正中間開出象徵深圳市的簕杜鵑，歡迎着四面八方的來客。花壇座椅、擋土牆的造型都融入了水流靈動的曲線之中，呼應深圳建設全球海洋中心城市的未來願景。

科學分析：用人流熱度模擬規劃公園設計

在公園的整體規劃設計上，徐衞國教授團隊首先借助GH的插件QUELEA的粒子羣優化算法，通過人流模擬對場地日後的人羣活動狀態進行預測；在模擬計算時，把場地中的三個出入口以及場地南北各一個景觀觀賞點作為影響人流運動的要素，從而得到場地上蜿蜒複雜的人羣運行軌跡。在此基礎上，通過人流熱度分析的方法，得到其他潛在的人羣聚集區域及人羣活動的路徑。

根據人流模擬生成的人流路徑圖

公園三維總體模型

其次，在人流熱度分析之後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圖形；在轉換計算過程中，將人流熱度圖中每個吸引點的輻射半徑和密度進行量化，使得吸引點周邊的點不斷向吸引點的輻射範圍內偏移，從而得到兼具混沌感與規律性的流線性造型，並把這一通過計算得到的形態作為公園總體規劃雛形，發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，根據公園景觀及觀賞要求，分別設置了主題雕塑、花壇坐椅、曲面擋土牆、花箱樹池、曲線型護坡、曲面綠植花牆、主題構築物等物件。這些環境飾品及園林小品的設計均採取了算法生成的方法，使得造型既滿足觀賞者使用和觀賞的要求，又具有優美的有機形態。

創新探索：3D打印路徑規劃的技術革新

在徐衞國教授團隊所設計的深圳寶安3D打印公園中，研究團隊對諸多景觀小品的打印路徑規劃形式進行了創新探索，如變曲面打印和間層打印技術。通過技術創新，研究團隊使機械臂3D打印混凝土建造在打印路徑規劃上實現新的可能，公園中的“鵬城花開”雕塑和“寶安”雕塑就是具有代表性的創新作品。

“鵬城花開”雕塑的分塊示意

“鵬城花開”雕塑是變曲面打印技術的代表。該雕塑的體量約為2600mm*2700mm*1800mm，設計原型為簕杜鵑，為模擬其花瓣有機、無序的形態，雕塑主體設計為數組起伏的曲面。對這個雕塑進行打印路徑規劃的難點在於，即便將雕塑拆分為五個獨立的分塊，每個分塊仍無法簡單用連續變化的平面或者曲面進行切分。因此，徐衞國教授研究團隊使用一組漸變的不規則曲面來切割每個分塊，使得最頂部的曲面能貼合於花瓣的上邊緣曲線，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”雕塑的打印路徑規劃方法

雕塑的每個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，用以收住整個不規則頂面。

“寶安”雕塑模型

“寶安”雕塑則是間層打印技術的代表。該雕塑的體量約為4900mm*3400mm*650mm，是以深圳市寶安區的LOGO作為展示對象，結合“fuzzy-cradle”分形曲線算法生成的祥雲圖案所組成的雕塑。

“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，然後在每個平面內採用間層打印的方法，首層先打印雕塑平面的1/3（a區域），然後打印2/3（b區域），到第三層才完整地打印整個平面（c區域）。依據這樣的邏輯，整個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，另一部分是每兩個變平面之間用以“找平”的間層。雕塑的變平面在達到設計所需斜度後，於頂部採用水平逐層打印方式完成最後5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，高品質地實現了平整、準確的頂面效果。

智能協同：公園原位打印及預製打印吊裝

公園原位打印現場

在準備好3D打印軟件之後，機器人打印設備開始進場安裝及調試。在現場原位打印時，有四組設備協同工作，它們需要對周邊座標和彼此之間的相對位置進行校準，以確保和環境現狀的準確匹配。由工藝流程串聯的一整套打印系統均按照自動化和智能化要求設計和調試，最大程度減少了人力。

公園小品預製打印現場

公園雕塑花池座椅

在硬件及軟件調試後，四組打印設備同時協同運行，共同完成了河流鋪地廣場區域的曲線分隔條打印。除現場原位打印外，大部分小品在場地旁邊的工棚內預製打印之後吊裝就位。在工棚內，安裝了三套固定的機器人3D打印設備及一套機器人3D打印移動平台，可滿足大尺度構件的打印要求，它們高質高效地完成了珊瑚鋪地、雕塑、座椅、擋土牆等小品的全部打印任務。

產品打印完成後，經過三天左右的自然養護即可進行安裝。團隊針對每種產品進行了必要的安裝構造及吊裝設計，並與現場施工團隊配合，完成了打印產品的定位、吊裝、構造連接、勾縫、表面處理等後續工藝。由於3D打印產品的精度較高，安裝縫隙較小，減少了現場濕作業的工作量。之後，結合整個場地的設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，數棵高大的喬木點綴其中，環境飾品及園林小品展現出自然有機的生態美感。

顛覆傳統：清華SIGS團隊為國家智能建造貢獻力量

隨着國家對3D打印建築的體量與建設需求的增大，多台機械臂的打印路徑協同、實時速度控制、智能打印路徑生成等領域都是3D打印混凝土行業內正在進行探索並不斷突破的話題。

技術集成性智能建造產業（徐衞國教授團隊）

公園使用場景

相較於傳統的施工方式，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程中材料、時間與人力的消耗，是建築業真正走向智能建造的必由之路。清華大學深圳國際研究生院徐衞國教授團隊自主研發的機器人3D打印建造技術，就是一種基於自動控制技術的智能建造方式，具備節省人力、提高效率、降低造價、環保生態、保證質量等優點。它不僅可以建設傳統的建築形體，並且可以建造各種豐富的有機建築形態，符合了當今世界綠色環保的生態主題，將為我們的生活環境和智能建造行業帶來嶄新的面貌。

（供稿：清華大學）