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發(fā)111布日期：2017-11-21 11:45

 近日，同濟(jì)大學(xué)協(xié)同“創(chuàng)盟國際&一造科技”，首次運(yùn)用MP材料，在中國上海臨港新城實現(xiàn)了整體3D打印的結(jié)構(gòu)性能化展亭——“云亭”，并順利落成。“云亭”采用大尺度空間打印的方式進(jìn)行建造，將形體抽象為空間網(wǎng)格，再進(jìn)行網(wǎng)格打印建造，其在11Mx11Mx6M大尺度打印效率和結(jié)構(gòu)性能集成方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，是非常具有潛力的建筑三維打印技術(shù)方案。

    項目概況

    項目名稱：云亭

    數(shù)字設(shè)計與建造團(tuán)隊：同濟(jì)大學(xué)，創(chuàng)盟國際+一造科技

    地點(diǎn)：上海市浦東新區(qū)臨港新城港城廣場

    裝置尺寸：11Mx11Mx6M

    設(shè)計時間：2017年7月-2017年8月

    建造時間：2017年9月-2017年10月

    設(shè)計團(tuán)隊

    主持設(shè)計師：袁烽

    概念設(shè)計：袁烽、韓力、高偉哲

    結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計：陳哲文、柴華、王錦、沈煒

    數(shù)字建造：張立名、和四忠、代世龍、陳哲文

    攝影：林邊

    “云亭”項目旨在將建筑結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計技術(shù)與機(jī)器人建造結(jié)合，并用高度集成的方式完成并展示出來。“云亭”的設(shè)計，運(yùn)用基于結(jié)構(gòu)性能分析的拓?fù)鋬?yōu)化算法，通過結(jié)構(gòu)性能化技術(shù)生成建筑形式，然后將應(yīng)力分布轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)格系統(tǒng)，從而得到變密度的網(wǎng)格形式。同時，在設(shè)計的過程中充分考慮了如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)單元的機(jī)器人空間打印。

    整個網(wǎng)絡(luò)原型單元系統(tǒng)包含疏密不同的五種單元路徑，密集的單元主要用以承受自重荷載，稀疏的單元主要起到覆蓋作用，使得看似復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在機(jī)器人空間打印技術(shù)的支持下?lián)碛凶銐虻目尚行??；跀?shù)字設(shè)計與機(jī)器人建造技術(shù)的支持，“云亭”展現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性能化分析技術(shù)與建筑形式美學(xué)的充分融合。

    由機(jī)器人空間打印工藝制作成的大型展品的建造重點(diǎn)主要在對抽象建筑造型實現(xiàn)結(jié)構(gòu)合理的“物質(zhì)化”建造，即通過特定的編程語言生成最有效的空間網(wǎng)格來實現(xiàn)連續(xù)建造，力求做到整體結(jié)構(gòu)最輕、用材最省，大幅度提升了建造效率且節(jié)省了可觀的材料開支。今年7月，同濟(jì)大學(xué)完成14米跨度MP三維打印步行橋，使用層積式三維打印的技術(shù)方案。層積式三維打印方案在整體強(qiáng)度上有優(yōu)勢，但材料消耗量相對較大，自重較大的劣勢也同時存在。因而此次同濟(jì)大學(xué)對“云亭”的打印，是在進(jìn)一步研究中實現(xiàn)了更加結(jié)構(gòu)高效合節(jié)材的目標(biāo)。

    亭子的幾何原型選定為長度11米、寬度11米、高度約6.0米的復(fù)雜曲面，由于該曲面部分區(qū)域的曲率過大且前端懸挑過長，傳統(tǒng)的均質(zhì)化空間打印法難以打印出這一形態(tài)，另外，如此大尺度的構(gòu)件在設(shè)計階段還會面臨許多結(jié)構(gòu)問題。本設(shè)計團(tuán)隊不滿足于空間打印的這個現(xiàn)狀，希望尋找一種新的機(jī)器人空間打印工藝，以實現(xiàn)建筑形態(tài)與結(jié)構(gòu)性能完美融合的一體化設(shè)計。本設(shè)計對亭子的三維曲面進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，從而在設(shè)計初期使建筑結(jié)構(gòu)性能得到了充分的考量。

    綜合考慮機(jī)器人作業(yè)空間尺寸及適宜的手工操作范圍，亭子被劃分為35塊，每塊的長度范圍在5-7m，高度范圍在1.5-2.5m，并由KUKA機(jī)器人

    進(jìn)行空間打印加工而成。當(dāng)遇到個別曲面曲率過大時，該塊還會被細(xì)分為更小的尺寸以滿足機(jī)器人空間打印的作業(yè)要求。

    由于空間打印對擠出頭的出料速度有嚴(yán)格控制，這使得空間打印速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于層積打印。本案加工時長為500小時，兩套機(jī)器人裝備耗時共計21天。機(jī)器人根據(jù)導(dǎo)入的編程語言從左至右進(jìn)行打印，完成第一排水平方向的打印任務(wù)后，再垂直向上移動至下一排的起點(diǎn)坐標(biāo)，隨后依次從右至左完成第二排水平方向的打印任務(wù)，并按照此邏輯完成全部體塊的打印任務(wù)。

    所有的構(gòu)件在工廠預(yù)制完成并進(jìn)行編號、分割打磨，然后分批運(yùn)送至現(xiàn)場準(zhǔn)備安裝。整個安裝搭建過程耗時不到一天，從而實現(xiàn)了快捷、綠色、無污染的安裝環(huán)境。主要的搭建過程包括如下步驟：

    1)定位亭子的4個支座坐標(biāo)，并進(jìn)行預(yù)埋處理；

    2)依靠場地中準(zhǔn)備的腳手架與鋼板，固定著地的4塊構(gòu)件；

    3)以已固定的4塊構(gòu)件為出發(fā)點(diǎn)，依次開始拼裝，并利用扎帶固定相鄰兩塊構(gòu)件；

    4)完成所有構(gòu)件拼裝后，拆除現(xiàn)場腳手架

    在未來，這種機(jī)器人空間打印技術(shù)將在建筑復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)、異形模板、形體快速找形等方面擁有廣闊應(yīng)用前景。下一步研發(fā)團(tuán)隊將在材料和工藝的深化和完善以及配套工藝的研發(fā)方面進(jìn)行進(jìn)一步的探索，將建筑大尺度空間打印技術(shù)推向更為可靠和廣泛的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。