深圳寶安*D打印公園全景

為響應(yīng)國(guó)度號(hào)召，積極回應(yīng)數(shù)字時(shí)代國(guó)度城市建筑與情況建立的新需求，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院將來(lái)人居研究院徐衛(wèi)國(guó)傳授吉印通清華大學(xué)建筑學(xué)院停止了跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)的自主研發(fā)和立異，將*D打印混凝土手藝變成一項(xiàng)跨學(xué)科的集成性智能建造財(cái)產(chǎn)手藝，位于寶安會(huì)展中心17號(hào)館前的深圳寶安*D打印公園就是其停止財(cái)產(chǎn)化應(yīng)用的生動(dòng)理論。據(jù)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(xiàn)實(shí)應(yīng)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(hào)館前，用空中積552*.*平方米，建立過(guò)程中利用了四套機(jī)器人打印設(shè)備，從設(shè)想到建成用了近三個(gè)月的時(shí)間。做為全國(guó)第一個(gè)應(yīng)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(xiàn)了世界更大規(guī)模的*D打印城市公園建立測(cè)驗(yàn)考試。

公園的設(shè)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(qū)內(nèi)所有*D打印景不雅小品以“水”的靈動(dòng)做為原初設(shè)想思惟，凸起機(jī)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(shì)；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(jī)地構(gòu)成大大小小的“島嶼”，有些是*D打印的雕塑景不雅平臺(tái)，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(shè)想，場(chǎng)地的北側(cè)開(kāi)出一朵象征活力與幸運(yùn)的三葉草，依靠著著安康、實(shí)愛(ài)與名望的祈愿；場(chǎng)地的南端，溪水構(gòu)成一道盤(pán)旋，正中間開(kāi)出象征深圳市的簕杜鵑，歡送著四面八方的來(lái)客。花壇座椅、擋土墻的外型都融入了水流靈動(dòng)的曲線(xiàn)之中，照應(yīng)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(guī)劃公園設(shè)想

在公園的整體規(guī)劃設(shè)想上，徐衛(wèi)國(guó)傳授團(tuán)隊(duì)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(duì)場(chǎng)地日后的人群活動(dòng)形態(tài)停止預(yù)測(cè)；在模仿計(jì)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(yùn)動(dòng)的要素，從而得參加地上蜿蜒復(fù)雜的人群運(yùn)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(qū)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(zhuǎn)換為奇異吸引子運(yùn)動(dòng)圖形；在轉(zhuǎn)換計(jì)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(nèi)偏移，從而得到兼具混沌感與規(guī)律性的流線(xiàn)性外型，并把那一通過(guò)計(jì)算得到的形態(tài)做為公園總體規(guī)劃雛形，開(kāi)展那一外形便獲得公園規(guī)劃設(shè)想。

以上述公園規(guī)劃設(shè)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(shè)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(hù)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(shè)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(jī)形態(tài)。

立異摸索：*D打印途徑規(guī)劃的手藝改革

在徐衛(wèi)國(guó)傳授團(tuán)隊(duì)所設(shè)想的深圳寶安*D打印公園中，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)諸多景不雅小品的打印途徑規(guī)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(tuán)隊(duì)使機(jī)械臂*D打印混凝土建造在打印途徑規(guī)劃上實(shí)現(xiàn)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(shè)想原型為簕杜鵑，為模仿其花瓣有機(jī)、無(wú)序的形態(tài)，雕塑主體設(shè)想為數(shù)組起伏的曲面。對(duì)那個(gè)雕塑停止打印途徑規(guī)劃的難點(diǎn)在于，即使將雕塑拆分為五個(gè)獨(dú)立的分塊，每個(gè)分塊仍無(wú)法簡(jiǎn)單用持續(xù)變革的平面或者曲面停止切分。因而，徐衛(wèi)國(guó)傳授研究團(tuán)隊(duì)利用一組漸變的不規(guī)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(shè)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(guī)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(gòu)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(guī)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(qū)的LOGO做為展現(xiàn)對(duì)象，連系“fuzzy-cradle”分形曲線(xiàn)算法生成的祥云圖案所構(gòu)成的雕塑。

“寶安”雕塑打印途徑計(jì)劃剖面示意

最末，研究團(tuán)隊(duì)測(cè)驗(yàn)考試先將雕塑細(xì)分為19組漸變平面，然后在每個(gè)平面內(nèi)接納間層打印的辦法，首層先打印雕塑平面的1/*（a區(qū)域），然后打印2/*（b區(qū)域），到第三層才完好地打印整個(gè)平面（c區(qū)域）。根據(jù)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?jī)蓚€(gè)變平面之間用以“找平”的間層。雕塑的變平面在到達(dá)設(shè)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(qū)域），以凸起展現(xiàn)對(duì)象。

“寶安”雕塑的細(xì)部與完效果果

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

智能協(xié)同：公園原位打印及預(yù)造打印吊拆

公園原位打印現(xiàn)場(chǎng)

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

公園小品預(yù)造打印現(xiàn)場(chǎng)

公園雕塑花池座椅

在硬件及軟件調(diào)試后，四組打印設(shè)備同時(shí)協(xié)同運(yùn)行，配合完成了河流鋪地廣場(chǎng)區(qū)域的曲線(xiàn)分隔條打印。除現(xiàn)場(chǎng)原位打印外，大部門(mén)小品在場(chǎng)地旁邊的工棚內(nèi)預(yù)造打印之后吊拆就位。在工棚內(nèi)，安拆了三套固定的機(jī)器人*D打印設(shè)備及一套機(jī)器人*D打印挪動(dòng)平臺(tái)，可滿(mǎn)足大標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)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(shù)打印使命。

產(chǎn)物打印完成后，顛末三天擺布的天然養(yǎng)護(hù)即可停止安拆。團(tuán)隊(duì)針對(duì)每種產(chǎn)物停止了需要的安拆構(gòu)造及吊拆設(shè)想，并與現(xiàn)場(chǎng)施工團(tuán)隊(duì)共同，完成了打印產(chǎn)物的定位、吊拆、構(gòu)造毗連、勾縫、外表處置等后續(xù)工藝。因?yàn)?D打印產(chǎn)物的精度較高，安拆裂縫較小，削減了現(xiàn)場(chǎng)濕功課的工做量。之后，連系整個(gè)場(chǎng)地的設(shè)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(shù)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(jī)的生態(tài)美感。

傾覆傳統(tǒng)：清華SIGS團(tuán)隊(duì)為國(guó)度智能建造奉獻(xiàn)力量

跟著國(guó)度對(duì)*D打印建筑的體量與建立需求的增大，多臺(tái)機(jī)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(nèi)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(cái)產(chǎn)（徐衛(wèi)國(guó)傳授團(tuán)隊(duì)）

公園利用場(chǎng)景

相較于傳統(tǒng)的施工體例，那些連系了數(shù)字化設(shè)想與機(jī)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(guó)際研究生院徐衛(wèi)國(guó)傳授團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的機(jī)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(jié)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(zhǎng)處。它不只能夠建立傳統(tǒng)的建筑形體，而且能夠建造各類(lèi)豐碩的有機(jī)建筑形態(tài)，契合了當(dāng)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)）