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讓3D打印建造走出實(shí)驗(yàn)室

發(fā)布時(shí)間:2024-01-10 11:59:00來(lái)源: 人民日?qǐng)?bào)

  讓3D打印建造走出實(shí)驗(yàn)室(講述·弘揚(yáng)科學(xué)家精神)

  人物名片

  徐衛(wèi)國(guó):1961年生,江蘇南通人,清華大學(xué)建筑學(xué)院教授、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院未來(lái)人居研究院常務(wù)副院長(zhǎng)。1986年留清華大學(xué)任教后,他一直從事建筑設(shè)計(jì)及建筑理論研究。2003年以來(lái),他通過(guò)教學(xué)、工程、策展、出版等方式,持續(xù)推動(dòng)數(shù)字設(shè)計(jì)及數(shù)字建造研究。曾獲中國(guó)建筑學(xué)會(huì)建筑設(shè)計(jì)獎(jiǎng)·建筑教育獎(jiǎng)、世界建筑新聞獎(jiǎng)“最佳技術(shù)運(yùn)用獎(jiǎng)”金獎(jiǎng)、世界建筑節(jié)杰出設(shè)計(jì)獎(jiǎng)等。

  橙色的機(jī)械臂,如人的手臂般靈活移動(dòng),前端的3D打印系統(tǒng)正在“打印”建筑……在清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院未來(lái)人居研究院一樓的實(shí)驗(yàn)室里,清華大學(xué)建筑學(xué)院教授徐衛(wèi)國(guó)正在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行3D打印操作。“我們研發(fā)的打印新工藝,將應(yīng)用到更多智能建造中。”徐衛(wèi)國(guó)說(shuō)。

  2000多公里外,在河北張家口市下花園區(qū)武家莊村,有一座很特別的農(nóng)宅。這座建筑,正是徐衛(wèi)國(guó)與團(tuán)隊(duì)采用3D打印混凝土技術(shù)建造完成的。

  如何用3D打印技術(shù)建房子?智能建造如何從實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)人們的生活,前景如何?徐衛(wèi)國(guó)向記者娓娓道來(lái)……

  從墻體到屋頂,完全采用3D打印混凝土技術(shù)建造,并依靠機(jī)械臂完成施工

  武家莊村村民趙秀娟家的墻上,有一張與徐衛(wèi)國(guó)的合影。照片背景里的老房子,已被這座3D打印建筑取代:編織紋理裝飾的外墻、圓拱形的屋頂、鏤空的圍墻……新居與村中其他農(nóng)宅很不一樣。

  更不同的是建筑過(guò)程。從基礎(chǔ)、墻體到屋頂,農(nóng)宅的建造完全采用3D打印混凝土技術(shù)建造,并依靠機(jī)械臂完成施工。用趙秀娟的話來(lái)說(shuō),3套打印設(shè)備“就像擠牙膏一樣”,“打印”出混凝土材料,一層層向上累加,房屋的基礎(chǔ)、墻體等部分便漸漸呈現(xiàn)在人們眼前。屋頂則在單獨(dú)打印完成后,用吊機(jī)安裝到墻體上。

  “簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),智能建造指的是用機(jī)器人或者智能系統(tǒng)替代人進(jìn)行房屋建造。”徐衛(wèi)國(guó)說(shuō),機(jī)器人3D打印混凝土技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于效率高、質(zhì)量高等,還可以建造出各種優(yōu)美的不規(guī)則曲面形體。

  如何讓3D打印建筑更好地滿足人們的需求?這幾年,徐衛(wèi)國(guó)沒(méi)少往武家莊村跑,他指導(dǎo)的好幾篇研究生的論文,也是圍繞武家莊村的3D打印建造展開(kāi)的。

  “我們的很多成果是在工地上取得的。有一年冬天,我到農(nóng)村調(diào)研,發(fā)現(xiàn)有的村民家中窗戶透風(fēng),保暖性有待提升?!毙煨l(wèi)國(guó)說(shuō),在設(shè)計(jì)武家莊村的農(nóng)宅時(shí),團(tuán)隊(duì)結(jié)合3D打印的特點(diǎn),對(duì)墻體構(gòu)造進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì),形成“結(jié)構(gòu)—裝飾—保溫一體化墻體”,讓房屋變得冬暖夏涼。

  “只有在實(shí)際操作中反復(fù)驗(yàn)證,寫(xiě)出的程序、開(kāi)發(fā)出來(lái)的技術(shù)才能更好地應(yīng)用于實(shí)踐,3D打印建筑工藝才能得以不斷完善?!毙煨l(wèi)國(guó)說(shuō)。

  武家莊村的農(nóng)宅,并非徐衛(wèi)國(guó)團(tuán)隊(duì)完成的第一個(gè)3D打印建筑。在一個(gè)又一個(gè)“工地”上,3D打印建筑成果落地生根——

  上海寶山區(qū)智慧灣,一座形似飄帶的3D打印混凝土步行橋引人注目。兩臺(tái)打印系統(tǒng)共用450個(gè)小時(shí)打印完成全部混凝土構(gòu)件。

  廣東深圳寶安3D打印公園,蜿蜒的道路和自然起伏的地形融合,如清泉流淌于溪谷間。3D打印混凝土技術(shù)在建造特殊曲面造型時(shí)的優(yōu)勢(shì),在該公園中得以充分體現(xiàn)。

  拱橋、公園、書(shū)屋、民宅……徐衛(wèi)國(guó)的作品,從實(shí)驗(yàn)室走到了人們身邊。他說(shuō),希望自己的科研成果能夠助力行業(yè)升級(jí),改善人們的生活,“科學(xué)研究就應(yīng)該為社會(huì)服務(wù)”。

  深耕20多年,數(shù)字建筑設(shè)計(jì)逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

  這些年,徐衛(wèi)國(guó)團(tuán)隊(duì)的3D打印建筑作品不斷涌現(xiàn)。成果背后,是他20多年來(lái)在數(shù)字建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的深耕。

  2003年,徐衛(wèi)國(guó)在國(guó)外一場(chǎng)名為“非標(biāo)準(zhǔn)建筑”的展覽上第一次接觸到數(shù)字建筑設(shè)計(jì)。如何運(yùn)用數(shù)字技術(shù)在電腦里生成建筑形態(tài)?這些設(shè)計(jì)能否被實(shí)際建造出來(lái)?徐衛(wèi)國(guó)開(kāi)始了在數(shù)字建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的探索。

  “數(shù)字技術(shù)與建筑設(shè)計(jì)的結(jié)合形成了數(shù)字建筑設(shè)計(jì),主要是通過(guò)算法、程序來(lái)生成設(shè)計(jì)方案。”徐衛(wèi)國(guó)說(shuō)。

  以深圳寶安3D打印公園為例,團(tuán)隊(duì)通過(guò)算法模擬人群活動(dòng),在人流密集區(qū)域布置主要景觀,再利用奇異吸引子算法生成公園總平面的雛形。隨后,對(duì)公園總體規(guī)劃進(jìn)行設(shè)計(jì)建模,完成3D模型。在建立模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)行打印路徑規(guī)劃,并將代碼傳輸給機(jī)械臂。“通過(guò)算法,數(shù)字建筑設(shè)計(jì)能夠更大程度地滿足人們的需求。”徐衛(wèi)國(guó)說(shuō)。

  近年來(lái),徐衛(wèi)國(guó)意識(shí)到數(shù)字設(shè)計(jì)是智能建造的前提和基礎(chǔ),開(kāi)始重點(diǎn)研發(fā)以3D打印為主的智能建造技術(shù)。從一場(chǎng)展覽的啟發(fā),到一個(gè)個(gè)建筑的落成,20多年時(shí)間里,徐衛(wèi)國(guó)關(guān)于數(shù)字建筑設(shè)計(jì)、智能建造等的設(shè)想逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

  “實(shí)際上,一路走來(lái)很不容易?!毙煨l(wèi)國(guó)說(shuō),自己也遇到過(guò)一些質(zhì)疑的聲音,比如,新的設(shè)計(jì)方法是否可行,能建多大的房子,性價(jià)比高不高,等等?!暗珗?jiān)持做下去,總會(huì)有新收獲。”2020年,住房城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門(mén)關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)印發(fā),提出加大智能建造在工程建設(shè)各環(huán)節(jié)的應(yīng)用。徐衛(wèi)國(guó)深耕多年的技術(shù)有了更多用武之地。

  是否慶幸于自己的探索與堅(jiān)持?“如果沒(méi)有及早意識(shí)到數(shù)字建筑設(shè)計(jì)、智能建造的廣闊前景,沒(méi)有早去做研究,那就是我們的失職。”徐衛(wèi)國(guó)說(shuō),“科學(xué)研究就是要有前瞻性,要看到未來(lái)的需求,不斷探索、求新。”

  激發(fā)學(xué)生想象力,探索未來(lái)建筑的各種可能性

  如何在火星上建房子?

  采訪時(shí),徐衛(wèi)國(guó)剛剛為學(xué)生們上完一節(jié)建筑設(shè)計(jì)專(zhuān)題課。這門(mén)課上,學(xué)生們要圍繞“火星居留地”進(jìn)行設(shè)計(jì)。

  “在火星上,人輕輕一跳,就比在地球上跳得高很多——火星上的建筑,與地球上的建筑也完全不同?!毙煨l(wèi)國(guó)說(shuō),他想激發(fā)學(xué)生們的想象力,探索未來(lái)建筑的各種可能性。

  他講授的建筑設(shè)計(jì)專(zhuān)題是一門(mén)討論課,學(xué)生在課下完成準(zhǔn)備工作,上課時(shí)展示自己的成果,老師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)、提出建議。

  “剛才這節(jié)課上,我們討論了各個(gè)小組的建筑設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)。我們要自己設(shè)定‘火星居留地’上的人物和背景,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)?!眲偵贤暾n的學(xué)生李洪君興奮地說(shuō)。

  聽(tīng)上去有些科幻,但這其實(shí)與建筑設(shè)計(jì)息息相關(guān)。“人物之間的聯(lián)系,其實(shí)是建筑空間關(guān)系的一個(gè)參照,會(huì)轉(zhuǎn)換成空間之間的關(guān)系。”徐衛(wèi)國(guó)說(shuō),課程中的每一項(xiàng)任務(wù),都對(duì)應(yīng)著實(shí)際的建筑設(shè)計(jì)過(guò)程。

  徐衛(wèi)國(guó)關(guān)注建筑的未來(lái),也關(guān)注學(xué)生的成長(zhǎng)。1983年本科畢業(yè)后,徐衛(wèi)國(guó)讀研期間就開(kāi)始擔(dān)任課程助教,距今已有40年。在他看來(lái),啟發(fā)、引導(dǎo)、交流,是教師工作的重點(diǎn)之一。“現(xiàn)在獲取知識(shí)的渠道越來(lái)越多,找到答案并非難事。如何啟發(fā)學(xué)生找到新知識(shí)、新方向,是最重要的?!彼f(shuō)。

  “徐老師很尊重學(xué)生的意見(jiàn)”“徐老師的創(chuàng)新意識(shí)令人佩服”……徐衛(wèi)國(guó)指導(dǎo)的研究生們,在創(chuàng)新的氛圍中不斷成長(zhǎng),他們圍繞未來(lái)城市及支撐技術(shù)、數(shù)字建筑與智能建造、技術(shù)人文等領(lǐng)域開(kāi)展研究。

  他們把目光投向未來(lái)。

  記者手記

  始于興趣 源自責(zé)任

  采訪結(jié)束后,徐衛(wèi)國(guó)匆匆趕往機(jī)場(chǎng),去外地進(jìn)行授課。年過(guò)60歲的他依然奔波在各地的教學(xué)和“工地”現(xiàn)場(chǎng),探索智能建造前沿,創(chuàng)新的熱情不減。

  創(chuàng)新,始于興趣。回憶剛剛開(kāi)始研究數(shù)字建筑設(shè)計(jì)的情形,徐衛(wèi)國(guó)說(shuō),新興事物,總是讓人心潮澎湃。當(dāng)時(shí)雖然研究條件有限,但干勁十足,制定年度工作計(jì)劃,一下子能寫(xiě)好幾頁(yè)。

  創(chuàng)新,也源自責(zé)任。在徐衛(wèi)國(guó)看來(lái),隨著智能建造的發(fā)展,建筑工人的體力負(fù)擔(dān)將不斷減輕,建筑將更加符合人們的需求,人居環(huán)境將更加舒適。心懷這樣的目標(biāo),也激勵(lì)著他矢志創(chuàng)新,不斷推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步。

  吳 月

(責(zé)編:陳濛濛)

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