清华大学深圳国际研究生院3D打印混凝土技术“打印”城市公园_风闻

深圳宝安3D打印公园全景

为响应国家号召，积极回应数字时代国家城市建筑与环境建设的新需求，清华大学深圳国际研究生院未来人居研究院徐卫国教授联合清华大学建筑学院进行了跨学科团队的自主研发和创新，将3D打印混凝土技术变为一项跨学科的集成性智能建造产业技术，位于宝安会展中心17号馆前的深圳宝安3D打印公园就是其进行产业化应用的生动实践。据悉，“打印”一座城市广场，是3D打印混凝土新技术首次在全球的市政工程建设的实际应用。

溪谷清流：用3D技术打造自由灵动的城市绿意空间

深圳宝安3D打印公园位于宝安会展中心17号馆前，用地面积5523.3平方米，建设过程中使用了四套机器人打印设备，从设计到建成用了近三个月的时间。作为全国第一个应用3D打印技术的城市绿地花园，深圳宝安3D打印公园在2021年9月就首次实现了世界最大规模的3D打印城市公园建设尝试。

公园的设计概念为“溪谷清流”，蜿蜒的道路曲线和自然起伏的地形融合在一起，模拟清泉流淌于溪谷间的形态，造型生动灵活的园林小品与水平延展的地形完美结合，创造出独特的自然空间。

河流型道路

园区内所有3D打印景观小品以“水”的灵动作为原初设计思想，突出机器人3D打印混凝土技术在建造特殊曲面造型时的优势；在绿意盎然的草地上，通过算法生成的3D打印道路如同水流活泼奔涌，自然地将游人引向各个景观点；在高低起伏的道路之间，有机地形成大大小小的“岛屿”，有些是3D打印的雕塑景观平台，有些是3D打印的花坛与座椅结合的休闲空间，有些布置了3D打印的环境饰品。

簕杜鹃雕塑

三叶草雕塑

“水”的概念同时贯穿场地上各种园林小品的设计，场地的北侧开出一朵象征生机与幸运的三叶草，寄托着着健康、真爱与名誉的祈愿；场地的南端，溪水形成一道回旋，正中间开出象征深圳市的簕杜鹃，欢迎着四面八方的来客。花坛座椅、挡土墙的造型都融入了水流灵动的曲线之中，呼应深圳建设全球海洋中心城市的未来愿景。

科学分析：用人流热度模拟规划公园设计

在公园的整体规划设计上，徐卫国教授团队首先借助GH的插件QUELEA的粒子群优化算法，通过人流模拟对场地日后的人群活动状态进行预测；在模拟计算时，把场地中的三个出入口以及场地南北各一个景观观赏点作为影响人流运动的要素，从而得到场地上蜿蜒复杂的人群运行轨迹。在此基础上，通过人流热度分析的方法，得到其他潜在的人群聚集区域及人群活动的路径。

根据人流模拟生成的人流路径图

公园三维总体模型

其次，在人流热度分析之后引入奇异吸引子算法，将人流热度图转换为奇异吸引子运动图形；在转换计算过程中，将人流热度图中每个吸引点的辐射半径和密度进行量化，使得吸引点周边的点不断向吸引点的辐射范围内偏移，从而得到兼具混沌感与规律性的流线性造型，并把这一通过计算得到的形态作为公园总体规划雏形，发展这一形状便获得公园规划设计。

以上述公园规划设计平面为基础，建立公园的虚拟三维模型；在建模时，根据公园景观及观赏要求，分别设置了主题雕塑、花坛坐椅、曲面挡土墙、花箱树池、曲线型护坡、曲面绿植花墙、主题构筑物等物件。这些环境饰品及园林小品的设计均采取了算法生成的方法，使得造型既满足观赏者使用和观赏的要求，又具有优美的有机形态。

创新探索：3D打印路径规划的技术革新

在徐卫国教授团队所设计的深圳宝安3D打印公园中，研究团队对诸多景观小品的打印路径规划形式进行了创新探索，如变曲面打印和间层打印技术。通过技术创新，研究团队使机械臂3D打印混凝土建造在打印路径规划上实现新的可能，公园中的“鹏城花开”雕塑和“宝安”雕塑就是具有代表性的创新作品。

“鹏城花开”雕塑的分块示意

“鹏城花开”雕塑是变曲面打印技术的代表。该雕塑的体量约为2600mm*2700mm*1800mm，设计原型为簕杜鹃，为模拟其花瓣有机、无序的形态，雕塑主体设计为数组起伏的曲面。对这个雕塑进行打印路径规划的难点在于，即便将雕塑拆分为五个独立的分块，每个分块仍无法简单用连续变化的平面或者曲面进行切分。因此，徐卫国教授研究团队使用一组渐变的不规则曲面来切割每个分块，使得最顶部的曲面能贴合于花瓣的上边缘曲线，而底部则根据设计需求分为了几组不平行的平面。

“鹏城花开”雕塑的打印路径规划方法

雕塑的每个分块也继而被切分出了四部分主要的结构：第一部分为雕塑的基础，第二部分为变平面打印的花瓣，第三部分则为双层变曲面打印的花瓣，第四部分则为单层变曲面打印的花瓣，用以收住整个不规则顶面。

“宝安”雕塑模型

“宝安”雕塑则是间层打印技术的代表。该雕塑的体量约为4900mm*3400mm*650mm，是以深圳市宝安区的LOGO作为展示对象，结合“fuzzy-cradle”分形曲线算法生成的祥云图案所组成的雕塑。

“宝安”雕塑打印路径方案剖面示意

最终，研究团队尝试先将雕塑细分为19组渐变平面，然后在每个平面内采用间层打印的方法，首层先打印雕塑平面的1/3（a区域），然后打印2/3（b区域），到第三层才完整地打印整个平面（c区域）。依据这样的逻辑，整个雕塑的打印路径可分为两部分，一部分是完整切分雕塑主体的一系列变平面，另一部分是每两个变平面之间用以“找平”的间层。雕塑的变平面在达到设计所需斜度后，于顶部采用水平逐层打印方式完成最后5层打印路径（d区域），以突出展示对象。

“宝安”雕塑的细部与完成效果

间层打印的方法最终也使得“宝安”雕塑侧面呈现出疏密有致的纹理，高品质地实现了平整、准确的顶面效果。

智能协同：公园原位打印及预制打印吊装

公园原位打印现场

在准备好3D打印软件之后，机器人打印设备开始进场安装及调试。在现场原位打印时，有四组设备协同工作，它们需要对周边坐标和彼此之间的相对位置进行校准，以确保和环境现状的准确匹配。由工艺流程串联的一整套打印系统均按照自动化和智能化要求设计和调试，最大程度减少了人力。

公园小品预制打印现场

公园雕塑花池座椅

在硬件及软件调试后，四组打印设备同时协同运行，共同完成了河流铺地广场区域的曲线分隔条打印。除现场原位打印外，大部分小品在场地旁边的工棚内预制打印之后吊装就位。在工棚内，安装了三套固定的机器人3D打印设备及一套机器人3D打印移动平台，可满足大尺度构件的打印要求，它们高质高效地完成了珊瑚铺地、雕塑、座椅、挡土墙等小品的全部打印任务。

产品打印完成后，经过三天左右的自然养护即可进行安装。团队针对每种产品进行了必要的安装构造及吊装设计，并与现场施工团队配合，完成了打印产品的定位、吊装、构造连接、勾缝、表面处理等后续工艺。由于3D打印产品的精度较高，安装缝隙较小，减少了现场湿作业的工作量。之后，结合整个场地的设计概念进行绿化种植，自然起伏的地形表面覆盖柔软浓密的草坪，数棵高大的乔木点缀其中，环境饰品及园林小品展现出自然有机的生态美感。

颠覆传统：清华SIGS团队为国家智能建造贡献力量

随着国家对3D打印建筑的体量与建设需求的增大，多台机械臂的打印路径协同、实时速度控制、智能打印路径生成等领域都是3D打印混凝土行业内正在进行探索并不断突破的话题。

技术集成性智能建造产业（徐卫国教授团队）

公园使用场景

相较于传统的施工方式，这些结合了数字化设计与机器人辅助建造的新方法能够有效地减少建造过程中材料、时间与人力的消耗，是建筑业真正走向智能建造的必由之路。清华大学深圳国际研究生院徐卫国教授团队自主研发的机器人3D打印建造技术，就是一种基于自动控制技术的智能建造方式，具备节省人力、提高效率、降低造价、环保生态、保证质量等优点。它不仅可以建设传统的建筑形体，并且可以建造各种丰富的有机建筑形态，符合了当今世界绿色环保的生态主题，将为我们的生活环境和智能建造行业带来崭新的面貌。

（供稿：清华大学）