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(shí)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(shì)，是非常具有潛力的建筑三維打印技術(shù)方案。
項(xiàng)目概況
項(xiàng)目名稱：云亭
數(shù)字設(shè)計(jì)與建造團(tuán)隊(duì)：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(jì)時(shí)間：2017年7月-2017年8月
建造時(shí)間：2017年9月-2017年10月
設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)
主持設(shè)計(jì)師：袁烽
概念設(shè)計(jì)：袁烽、韓力、高偉哲
結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)：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(xiàng)目旨在將建筑結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)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(jì)，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(shí)，在設(shè)計(jì)的過程中充分考慮了如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)單元的機(jī)器人空間打印。
整個(gè)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(jì)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(duì)抽象建筑造型實(shí)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(shí)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(shì)，但材料消耗量相對(duì)較大，自重較大的劣勢(shì)也同時(shí)存在。因而此次同濟(jì)大學(xué)對(duì)“云亭”的打印，是在進(jìn)一步研究中實(shí)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(jì)階段還會(huì)面臨許多結(jié)構(gòu)問題。本設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)不滿足于空間打印的這個(gè)現(xiàn)狀，希望尋找一種新的機(jī)器人空間打印工藝，以實(shí)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(jì)。本設(shè)計(jì)對(duì)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(jì)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(gè)別曲面曲率過大時(shí)，該塊還會(huì)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(duì)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(shí)長為500小時(shí)，兩套機(jī)器人裝備耗時(shí)共計(jì)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(dòng)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(hào)、分割打磨，然后分批運(yùn)送至現(xiàn)場準(zhǔn)備安裝。整個(gè)安裝搭建過程耗時(shí)不到一天，從而實(shí)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(gè)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(duì)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。
