机器人3D打印技术在公园建造中的应用——深圳宝安3D打印公园打印建设介绍 ＊

徐卫国 张宇 高远 孙晨炜

机器人3D打印混凝土建造技术基于数字建筑设计及机器人自控系统，将3D打印技术与特种混凝土材料技术相结合，是一种创新型房屋及环境智能建造技术。这一科研成果由清华大学建筑学院及深圳国际研究生院未来人居研究院徐卫国教授的跨学科团队自主研发，目前正在进行产业化应用。2021年9月，团队首次在深圳宝安区实现了世界最大规模的3D打印城市公园的建设尝试。到目前为止，已运用该技术建成了新农村住宅、肯尼亚经济房、步行桥、图书屋等项目。

1 智能建造——数字时代城市建筑与环境建设的新举措

智能建造已成为国家建筑业发展战略。2020年7月，住房和城乡建设部等十三部门联合印发《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，提出要以大力发展建筑工业化为载体，以数字化、智能化升级为动力，加大智能建造在工程建设各环节的应用，形成涵盖科研、设计、生产加工、施工装配、运营等全产业链一体的智能建造产业体系。

智能建造指在房屋建造或环境建设的全过程中，各专业充分利用数字技术实现建造目标。其特点在于“全过程”自始至终具有连续且共享的数字流，它从建筑方案设计开始，经过后续阶段各专业不断添加、修改、反馈形成优化的建筑信息，以此数字流为依据，依靠互联网及物联网、CNC数控设备、3D打印、机器臂等智能机械，实现高精度、高效率、环保性的物质建造与运营服务，形成新的“数字建筑及环境建设产业网链”。

智能建造能够缓解我国建设行业面临的劳动力骤减危机。国家统计局2021年4月30日发布的“2020年农民工监测调查报告”显示，我国农民工总量减少，流动半径进一步缩小。据预测，2022年起农民工数量将每年减少1 000万人，十年共将减少1亿人。然而，我国仍有大量房屋及基础设施需要建设，要避免这一危机的发生，用机器人替代工人的智能建造势在必行。同时，智能建造可以把工人从繁重的体力劳动中解放出来，从而实现真正的社会公平。

2 机器人打印建造——跨学科集成性智能建造产业技术

机器人3D打印混凝土建造技术是一种智能建造技术，建造工艺流程包括算法生成创意设计、数字形态建模、打印路径规划、打印程序编码、虚拟打印建造模拟、现场原位打印、现场预制打印及装配。它将房屋或景观建设全过程数字化集成，并分为虚拟建造及实物打印建造两大部分，建造过程中连续的数字信息流及物质性建造流相辅相成，形成了一体化智能建造流程。该技术涉及不同的行业，包括基于算法生成的建筑创意设计、路径规划及控制软件的开发、机器人及打印设备的集成制造、打印材料的混合生产、建筑施工的数字工地等。它的推广使用不仅将传统房屋建设产业升级，而且将带动新的数字建造产业链的形成，其各个环节都将产生新的生产行业。

3 深圳宝安3D 打印公园的设计生成及智能建造

公园位于宝安会展中心17号馆前，用地面积5 523.3m，建设过程中使用了4套机器人打印设备，从设计到建成用时近3个月（图1）。

1 公园全景

2-3 公园局部 河流型道路

3.1 设计概念

设计灵感来源于“溪谷清流”，将蜿蜒的道路曲线和自然起伏的地形融合，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（图2,3）。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”，有些是雕塑景观平台，有些是花坛与座椅结合的休闲空间，有些布置了环境饰品。同时，“水”的概念贯穿于各种园林小品的设计中，流动的溪涧滋养出丰茂的百草，北侧一朵象征生机与幸运的三叶草寄托着健康、真爱与名誉的祈愿（图4,5）；南端的溪水形成一道回旋，正中间开出象征深圳市的勒杜鹃花，欢迎着四面八方的来客。花坛座椅、挡土墙的造型都融入了灵动的水流曲线之中，呼应深圳建设全球海洋中心城市的未来愿景（图6-8）。

3.2 设计生成

首先，借助Grasshopper插件Quelea的粒子群优化算法，通过人流模拟预测场地日后的人群活动状态。在模拟计算时，将场地中的三个出入口以及南北各一个景观观赏点作为影响人流运动的要素，从而得到蜿蜒复杂的人群运行轨迹。在此基础上，通过人流热度分析得到其他潜在的人群聚集区域及活动路径（图9）。

其次，在分析人流热度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，量化人流热度图中每个吸引点的辐射半径和密度，使得吸引点周边的点不断在辐射范围内偏移，从而得到兼具混沌感与规律性的流线造型，将其作为公园总体规划的雏形，并进一步深化设计（图10）。

最后，以公园规划设计平面为基础建立公园的虚拟三维模型。根据公园景观及观赏要求，分别设置主题雕塑、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，这些环境饰品及园林小品的设计均由算法生成，既满足使用和观赏的要求，又具有优美的有机形态。

4-5 三叶草雕塑 勒杜鹃雕塑

6-7 花坛座椅 挡土墙

8 使用场景

3.3 打印路径规划

在三维模型的基础上，进行公园实景3D打印路径规划，即把三维模型转换为机械臂运动的路线及其操作代码。由于景观具有不规则的有机形态，因此采用区别于一般同层同高叠层打印的三维打印路径，可以更好地表现曲面造型。在原位打印中，河流状铺地的基础是三维路面，且打印物件自身也是曲面造型，这就需要设备贴合曲面进行打印；在造型复杂的雕塑打印中，打印路径不仅要包含每个路径点的空间坐标信息，同时也需要设计每个点的三维向量信息，大幅提升了路径规划的复杂度。目前现有的任何打印路径规划算法都无法契合混凝土3D打印的要求，设计团队采用了许多原创的参数化编程方式，使得路径规划的自动化修改和纠错变得更加简单。

同时，路径规划中也需要考虑多方面因素，减小实际打印时可能产生的误差。比如，材料特性带来的形变误差、不同构件安装时需要的配合误差、打印宽度变化带来的外形尺寸误差等，都需要经过多次实验得出可靠的结果，才能在路径规划时进行合理消除，使得最终打印物的呈现效果达到最佳。

9-10 人流模拟图 公园规划设计总平面图

3.4 原位打印及预制打印吊装

在准备好打印软件之后，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包含打印材料运输、材料搅拌、材料泵送、机械臂运动系统、打印前端系统等，均按照自动化和智能化要求设计和调试，以最大程度减少人力。

在硬件及软件调试后，四组打印设备协同运行，共同完成了河流铺地广场区域的曲线分隔条打印（图11）。除现场原位打印外，大部分小品在旁边的工棚内预制打印，之后吊装就位。工棚内安装三套固定机器人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，高质高效地完成了珊瑚铺地、雕塑、座椅、挡土墙等小品的打印任务（图12）。

11 公园原位打印现场

产品打印完成后，经过3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（图12-15）。

12-15 打印过程 花箱

4 城市公园打印建设模式及优势

4.1 城市公园打印建设新模式

通过深圳宝安3D打印公园项目的实施，我们可以总结出新的城市环境建设模式（图16）：1）从使用者行为模拟中获得其活动规律；2）基于使用者活动规律，用算法生成规划设计；3）以公园设计概念为前提，对公园地形、道路、护坡、挡土墙、雕塑、小品等实施三维建模、渲染表现，并确定公园建设方案；4）对已确定的公园实景三维模型进行打印路径规划，编写打印代码，同时进行打印模拟并消除错误；5）机器人3D打印混凝土智能设备进场及调试；6）现场预制打印及原位打印景观实物；7）预制景观实物安装及绿化配植。

16 城市公园新的建设模式

4.2 城市公园打印建设的优势

城市公园打印建设的优势体现在：1）节省人力，由于智能机械臂替代了人工劳动，整个建设过程可节约人力60%，将有效解决劳动力缺乏及成本较高的问题；2）提高效率，电脑的虚拟建造过程使得物质性建造的准确率大大提高，避免了各种不必要的浪费和返工，同时智能机器臂可以连续不断地运转，缩短了建设周期；3）降低造价，从直接投入来说，由于减少人力、缩短周期、避免浪费，其工程造价比传统工程节省10%～20%，同时，我们研发的打印混凝土建筑体系不使用钢筋、模板，节省了材料的投入；4）保证质量，智能系统及智能设备大大提高了建造精度，从而保证建造质量；5）环保生态，由于建造工艺有效合理的组织规划，建造过程没有污染，同时以机制沙粒及部分工矿废渣作为打印材料，保证了整个建设环节的节能环保；6）创造新形象，由于其创意设计基于算法生成，同时使用可空间运动的智能机器臂进行建造，该技术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，给生活环境带来崭新的面貌。

1-16 徐卫国教授团队提供

项目名称：深圳宝安3D打印公园

业主：深圳市宝安区建筑工务署

建设地点：深圳市宝安区会展中心17号馆前

项目负责人：徐卫国

数字设计：清华大学建筑学院

3D打印：无锡荷清数字建筑科技有限公司

设计与施工团队：徐卫国、高远、何雨婷、梅玥、黄舒弈、赵夏瑀、胡寒阳、韩银行（数字设计）；孙晨炜、王智、崔方、林志鹏、银玙栋、张志龄、毛宇轩、庄元旭（3D打印）

园林设计：中冶赛迪工程技术股份有限公司

工程总承包：中国二十冶集团有限公司

总用地面积：5 523.3m

设计时间：2020.05

建成时间：2020.09

摄影：徐卫国教授团队