近日，同濟大學(xué)協(xié)同“創(chuàng )盟國際&一造科技”，首次運用MP材料，在中國上海臨港新城實(shí)現了整體3D打印的結構性能化展亭——“云亭”，并順利落成�！霸仆ぁ辈捎么蟪叨瓤臻g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，其在大尺度打印效率和結構性能集成方面具有獨特的優(yōu)勢，是非常具有潛力的建筑三維打印技術(shù)方案。

“云亭”項目旨在將建筑結構性能化設計技術(shù)與機器人建造結合，并用高度集成的方式完成并展示出來(lái)�！霸仆ぁ钡脑O計，運用基于結構性能分析的拓撲優(yōu)化算法，通過(guò)結構性能化技術(shù)生成建筑形式，然后將應力分布轉變?yōu)榫W(wǎng)格系統，從而得到變密度的網(wǎng)格形式。同時(shí)，在設計的過(guò)程中充分考慮了如何實(shí)現網(wǎng)絡(luò )單元的機器人空間打印。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò )原型單元系統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，使得看似復雜的網(wǎng)絡(luò )系統在機器人空間打印技術(shù)的支持下?lián)碛凶銐虻目尚行��；�于數字設計與機器人建造技術(shù)的支持，“云亭”展現了結構性能化分析技術(shù)與建筑形式美學(xué)的充分融合。

由機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(shí)現結構合理的“物質(zhì)化”建造，即通過(guò)特定的編程語(yǔ)言生成最有效的空間網(wǎng)格來(lái)實(shí)現連續建造，力求做到整體結構最輕、用材最省，大幅度提升了建造效率且節省了可觀(guān)的材料開(kāi)支。今年7月，同濟大學(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(shí)存在。因而此次同濟大學(xué)對“云亭”的打印，是在進(jìn)一步研究中實(shí)現了更加結構高效合節材的目標。

亭子的幾何原型選定為長(cháng)度11米、寬度11米、高度約6.0米的復雜曲面，由于該曲面部分區域的曲率過(guò)大且前端懸挑過(guò)長(cháng)，傳統的均質(zhì)化空間打印法難以打印出這一形態(tài)，另外，如此大尺度的構件在設計階段還會(huì )面臨許多結構問(wèn)題。本設計團隊不滿(mǎn)足于空間打印的這個(gè)現狀，希望尋找一種新的機器人空間打印工藝，以實(shí)現建筑形態(tài)與結構性能完美融合的一體化設計。本設計對亭子的三維曲面進(jìn)行結構拓撲優(yōu)化，從而在設計初期使建筑結構性能得到了充分的考量。

綜合考慮機器人作業(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(cháng)度范圍在5-7m，高度范圍在1.5-2.5m，并由KUKA機器人進(jìn)行空間打印加工而成。當遇到個(gè)別曲面曲率過(guò)大時(shí)，該塊還會(huì )被細分為更小的尺寸以滿(mǎn)足機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格控制，這使得空間打印速度都遠遠低于層積打印。本案加工時(shí)長(cháng)為500小時(shí)，兩套機器人裝備耗時(shí)共計21天。機器人根據導入的編程語(yǔ)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，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)。

所有的構件在工廠(chǎng)預制完成并進(jìn)行編號、分割打磨，然后分批運送至現場(chǎng)準備安裝。整個(gè)安裝搭建過(guò)程耗時(shí)不到一天，從而實(shí)現了快捷、綠色、無(wú)污染的安裝環(huán)境。主要的搭建過(guò)程包括如下步驟：

 1)定位亭子的4個(gè)支座坐標，并進(jìn)行預埋處理；

2)依靠場(chǎng)地中準備的腳手架與鋼板，固定著(zhù)地的4塊構件；

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

4)完成所有構件拼裝后，拆除現場(chǎng)腳手架

在未來(lái)，這種機器人空間打印技術(shù)將在建筑復雜空間結構、異形模板、形體快速找形等方面擁有廣闊應用前景。下一步研發(fā)團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)應用。