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吉尼斯世界紀(jì)錄:多元學(xué)科團(tuán)隊(duì)用3D打印技術(shù)還原趙州橋

2021-06-22 09:00 7744
吉尼斯世界紀(jì)錄一直倡導(dǎo)以創(chuàng)造世界紀(jì)錄的方式激發(fā)人們的探索欲,并鼓勵(lì)人們用一顆對(duì)新事物、對(duì)不確定性充滿包容的心靈,在未知中去期待、探索和發(fā)現(xiàn),創(chuàng)造無(wú)限可能。本期回顧將講述“最長(zhǎng)的3D打印橋”吉尼斯世界紀(jì)錄獲得者3D打印趙州橋的故事。

北京2021年6月22日 /美通社/ -- 吉尼斯世界紀(jì)錄一直倡導(dǎo)以創(chuàng)造世界紀(jì)錄的方式激發(fā)人們的探索欲,并鼓勵(lì)人們用一顆對(duì)新事物、對(duì)不確定性充滿包容的心靈,在未知中去期待、探索和發(fā)現(xiàn),創(chuàng)造無(wú)限可能。近期,吉尼斯世界紀(jì)錄對(duì)往期獲獎(jiǎng)故事進(jìn)行了回顧整理,本期將講述“最長(zhǎng)的3D打印橋”吉尼斯世界紀(jì)錄獲得者3D打印趙州橋的故事。

最長(zhǎng)的3D打印橋
最長(zhǎng)的3D打印橋

2020年7月21日,坐落于河北工業(yè)大學(xué)的裝配式混凝土3D打印趙州橋,正式獲得“最長(zhǎng)的3D打印橋”吉尼斯世界紀(jì)錄?稱(chēng)號(hào)。這座由河北工業(yè)大學(xué)馬國(guó)偉教授團(tuán)隊(duì)共同建造的3D打印橋梁,全長(zhǎng)28.15米、凈跨度17.94米,受到業(yè)內(nèi)外關(guān)注。

1400年前,正在河北趙縣城南洨河之上來(lái)回踱步、監(jiān)督千萬(wàn)工匠雕琢一座傳奇之橋的李春,也許不會(huì)想到這座他傾盡心血的趙州橋會(huì)穿越千年,與它的3D版本“握手”。而讓這位杰出的橋梁專(zhuān)家更不會(huì)想到的是,傳承他衣缽的已不是傳統(tǒng)意義上的工匠們,而是一群來(lái)自不同領(lǐng)域、掌握3D打印技術(shù)的年輕人。

橋梁東側(cè)視圖
橋梁東側(cè)視圖

與能工巧匠構(gòu)筑趙州橋不同,3D打印趙州橋卻是由一群“不懂橋”的年輕人,使用現(xiàn)代智慧建造而成?!安欢畼颉?,并未阻礙這個(gè)年輕團(tuán)隊(duì)的探索熱情。因?yàn)椤盁o(wú)知”,所以無(wú)畏無(wú)懼,因?yàn)闊o(wú)畏無(wú)懼,所以能夠海納百川、突破邊界、創(chuàng)造可能。而這種精神與吉尼斯世界紀(jì)錄愿景中所宣揚(yáng)的“永遠(yuǎn)保持好奇,堅(jiān)持尋找答案 ;擁有開(kāi)放的心態(tài);相信全力以赴,萬(wàn)事皆有可能 ”,殊途同歸,為人們勇于探索世界帶來(lái)啟示。

“不懂”橋,卻堅(jiān)持尋找“橋”的答案

“最長(zhǎng)的3D打印橋”并非傳統(tǒng)土木人的手筆,而是由一群平均年齡不到25歲、來(lái)自多元學(xué)科的“初生牛犢”打印而成。

“因?yàn)椴皇菢蛄簩?zhuān)業(yè)出身,所以團(tuán)隊(duì)對(duì)潛在的困難和風(fēng)險(xiǎn)缺少專(zhuān)業(yè)認(rèn)知,這的確給我們后續(xù)工作帶來(lái)過(guò)挑戰(zhàn)。但從另一個(gè)角度來(lái)看,這反而能夠使我們不被局限,進(jìn)行大膽設(shè)想?!弊鳛轫?xiàng)目統(tǒng)籌的河北工業(yè)大學(xué)王里博士說(shuō)道。

橋面
橋面

事實(shí)上,河北工業(yè)大學(xué)馬國(guó)偉教授團(tuán)隊(duì)提出用3D打印技術(shù)來(lái)“打印”一座橋梁時(shí),業(yè)內(nèi)并不看好。因?yàn)?,傳統(tǒng)橋梁建設(shè)本身涉及非常專(zhuān)業(yè)、復(fù)雜的理論驗(yàn)證和工程工藝,而用3D打印的先進(jìn)建造方式筑橋,并且由一個(gè)非橋梁專(zhuān)業(yè)的團(tuán)隊(duì)操刀,更是難上加難,不確定性極高。

但河北工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)卻并未止步于此。“我們是一個(gè)融合了土木、機(jī)械、建筑、藝術(shù)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化控制等多學(xué)科的智能建造學(xué)科群,學(xué)科能力很全面。同時(shí),我們的實(shí)驗(yàn)室也在3D打印技術(shù)領(lǐng)域探索了數(shù)年,在材料、施工、設(shè)備、工藝的研發(fā)方面有很多的進(jìn)展和成果。所以,我們認(rèn)為,團(tuán)隊(duì)有自己的優(yōu)勢(shì),有能力去探索一些新的方向。而建筑作為高度依賴(lài)人力的行業(yè),也面臨一些實(shí)際的挑戰(zhàn),例如如何確保質(zhì)量一致性、如何應(yīng)對(duì)用工短缺等,這些問(wèn)題其實(shí)都有機(jī)會(huì)借助3D打印技術(shù)得到解決。因此,我們希望以實(shí)際行動(dòng)去驗(yàn)證3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)可以落地,為建筑行業(yè)創(chuàng)新貢獻(xiàn)一份力量?!蓖趵镎f(shuō)道。

而橋梁作為承載了土木建筑智慧精華的門(mén)類(lèi),引起了團(tuán)隊(duì)極大的興趣。在選擇打印方向時(shí),趙州橋這座聞名中外的石拱橋進(jìn)入大家的視野。趙州橋是力學(xué)與美學(xué)完美融合的典范,是橋梁史上的豐碑。而由于坐落于燕趙大地,這座千年古橋也成為河北文化傳承的象征。

“將經(jīng)歷千年的趙州橋與現(xiàn)代化的3D打印相結(jié)合,建造一座裝配式3D打印趙州橋,是對(duì)建造科技的傳承和弘揚(yáng),也是對(duì)河北傳統(tǒng)文化的認(rèn)同和回歸。這個(gè)步行橋的成功落成,可以推進(jìn)智能建造關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展,對(duì)我國(guó)建筑現(xiàn)代化的進(jìn)程也具有重要意義?!?河北工業(yè)大學(xué)馬國(guó)偉教授在一次采訪中說(shuō)。

非橋梁專(zhuān)業(yè)出身的造橋者們,正以實(shí)際行動(dòng)告訴先人、同仁和后來(lái)者,造橋,有無(wú)限可能。

由河北工業(yè)大學(xué)馬國(guó)偉教授團(tuán)隊(duì)共同建造的3D打印橋梁,全長(zhǎng)28.15米、凈跨度17.94米
由河北工業(yè)大學(xué)馬國(guó)偉教授團(tuán)隊(duì)共同建造的3D打印橋梁,全長(zhǎng)28.15米、凈跨度17.94米

造橋維艱,有容乃成

以3D打印技術(shù)再造一座趙州橋,從設(shè)計(jì)到落地,過(guò)程曲折而又艱難。2017年下半年,河北工業(yè)大學(xué)3D打印橋項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)正式組建,經(jīng)過(guò)選題、反復(fù)論證,項(xiàng)目正式啟動(dòng)已是2018年初,而整個(gè)橋梁完全建成則需要等到2019年9月30日。

一座全長(zhǎng)不到30米的小橋,何以需要這么長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)“打印”?

“最根本的原因,還是沒(méi)有先例可循。無(wú)論是監(jiān)管層面的設(shè)計(jì)規(guī)范和建設(shè)流程要求,還是橋梁設(shè)計(jì)施工本身,行業(yè)內(nèi)并無(wú)既有的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)或范例供我們參考,一切都需要團(tuán)隊(duì)從頭做起,確切地說(shuō)是在未知中去摸索?!蓖趵镎f(shuō)道。

常規(guī)的設(shè)計(jì)制作流程,一般包括模塊化設(shè)計(jì)、3D打印、裝配化施工等環(huán)節(jié),分別由不同團(tuán)隊(duì)來(lái)負(fù)責(zé)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)會(huì)先做圖形設(shè)計(jì),將整個(gè)橋梁分成不同設(shè)計(jì)模塊,并要驗(yàn)證模塊拼裝后整個(gè)項(xiàng)目的安全性能等;3D打印團(tuán)隊(duì)拿到設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)完成的圖紙之后,會(huì)繼續(xù)完成3D打印圖紙;隨后,3D打印圖紙會(huì)被指令化,以變成計(jì)算機(jī)程序能夠識(shí)別的語(yǔ)言,便于后續(xù)打印、施工;而施工團(tuán)隊(duì),則需要將打印的各模塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼裝,完成橋梁建造。

橋面細(xì)節(jié)
橋面細(xì)節(jié)

“從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)開(kāi)始,我們就遇到了很大的挑戰(zhàn)。事實(shí)上,僅設(shè)計(jì)方案,我們就更改了很多次?!蓖趵锝榻B說(shuō)。理論上講,如果打印機(jī)足夠大,那么整個(gè)橋梁有可能會(huì)被完整打印出來(lái)。但我們團(tuán)隊(duì)主打的理念是面向裝配式建筑的3D打印智能建造,將整個(gè)橋梁分割成多個(gè)模塊,分別制作。

那么,問(wèn)題就來(lái)了,橋梁如何切分、切成多少個(gè)模塊、每個(gè)模塊大小如何?由于打印設(shè)備、材料等自身的工藝性限制,并不是所有設(shè)計(jì)圖形都能打印出來(lái),模塊設(shè)計(jì)應(yīng)如何調(diào)整?同時(shí),打印參數(shù)應(yīng)如何做相應(yīng)的配置以迎合材料特性,特別是水泥隨時(shí)間變化的性能,以確保打印精度、便于裝配?這些都是擺在設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì),甚至是整個(gè)團(tuán)隊(duì)面前的問(wèn)題。

不難看出,方案中每一個(gè)模塊的設(shè)計(jì)、細(xì)節(jié)的調(diào)整,都是一項(xiàng)牽一發(fā)而動(dòng)全身的工作。尤其是每一次微小的改動(dòng),都會(huì)涉及周邊模塊的調(diào)整,以及安全性能的重新驗(yàn)證,全鏈條工作都需要同步調(diào)整。

這時(shí),學(xué)科交叉帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了,極大程度上推動(dòng)了項(xiàng)目的進(jìn)展。例如,團(tuán)隊(duì)有位同學(xué)是學(xué)設(shè)計(jì)的,但曾經(jīng)做過(guò)數(shù)年的施工方案,所以能很好地將設(shè)計(jì)和施工工作銜接起來(lái)。因此,整個(gè)團(tuán)隊(duì)得以將模塊設(shè)計(jì)與后續(xù)的裝配工作納入統(tǒng)一思考,使問(wèn)題得以前置,從最初模塊設(shè)計(jì)階段就解決裝配落地的問(wèn)題,大大提升了工作效率。

此外,為了監(jiān)測(cè)橋梁的安全性能,團(tuán)隊(duì)中有著自動(dòng)化學(xué)科背景的團(tuán)隊(duì)成員,為橋梁設(shè)計(jì)了傳感器裝置。橋梁不同部位被安置了諸多傳感器后,會(huì)在24小時(shí)之內(nèi)不間斷監(jiān)測(cè)氣溫、地基沉降、水位對(duì)橋梁的影響數(shù)據(jù),并將其上傳至云端。

“多學(xué)科使我們收益良多。尤其是跨學(xué)科經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)成員往往起到的作用是非常巨大的,他們是另一種橋梁,在新技術(shù)背景下起著溝通不同技術(shù)門(mén)類(lèi)和團(tuán)隊(duì)的作用。所以,我們認(rèn)為,與其說(shuō)3D打印趙州橋的成功得益于技術(shù)的進(jìn)步,我們更愿意相信是團(tuán)隊(duì)對(duì)多學(xué)科的包容、對(duì)人才的尊重,使我們收獲了天時(shí)地利人和。”王里介紹說(shuō)。

八方智慧來(lái)援筑新橋

隨著3D打印橋項(xiàng)目的推進(jìn),更多挑戰(zhàn)隨之浮出水面。而這時(shí),傳統(tǒng)造橋智慧的到援,最終使3D打印橋挺起脊梁,橫跨河上。

既然是以趙州橋?yàn)樵蛠?lái)新建橋梁,團(tuán)隊(duì)就必需先了解“母版”-- 土木建筑史上的豐碑趙州橋。作為缺少橋梁專(zhuān)業(yè)背景的團(tuán)隊(duì)而言,如有一位精通趙州橋前世今生的“老師傅”能前來(lái)指導(dǎo)一二就太有裨益了。這時(shí),工程勘察設(shè)計(jì)大師王長(zhǎng)科的到來(lái)為整個(gè)團(tuán)隊(duì)打開(kāi)了一扇窗。

王長(zhǎng)科是研究趙州橋的國(guó)學(xué)大師,曾對(duì)趙州橋做過(guò)非常系統(tǒng)的研究,并有相關(guān)著作論述。而其對(duì)趙州橋使用的力學(xué)原理,橋梁自身的工程概況、工程結(jié)構(gòu)、受力分析、技術(shù)措施和建筑美學(xué)、建筑文化的了解正是3D打印橋團(tuán)隊(duì)所需要的?!巴蹰L(zhǎng)科老師相當(dāng)于我們的文化顧問(wèn),對(duì)于團(tuán)隊(duì)從整體了解趙州橋、進(jìn)行3D打印橋的設(shè)計(jì)構(gòu)想,提供了前置性指導(dǎo)意見(jiàn)和可靠的參考?!蓖趵镎f(shuō)。

而在施工裝配階段,更大的困難卻是橋拱的裝配。傳統(tǒng)的做法是,抽干河水、搭建腳手架、依次施工,完成橋拱、橋身的搭建。但此次3D打印橋不同,它的橋拱被分成三大模塊,需要一次性精準(zhǔn)地吊裝完成。

另一位工程勘察設(shè)計(jì)大師的指導(dǎo),讓這個(gè)問(wèn)題迎刃而解。在海河綜合開(kāi)發(fā)改造工程中,主持設(shè)計(jì)和施工完成了多座創(chuàng)新型橋梁的韓振勇大師,提出了“體外拉索預(yù)應(yīng)力”這一方法。所謂“體外拉索預(yù)應(yīng)力”,就是將橋拱三大模塊預(yù)先拼裝,相當(dāng)于弓箭的弓,“弓”兩端的線也就是拉索,相當(dāng)于弓弦;而吊裝的時(shí)候,拉索會(huì)被拉緊,以控制橋拱結(jié)構(gòu)、調(diào)整誤差,等調(diào)整完畢,拉索放開(kāi),橋拱一次性裝配完成。

“韓大師的解決方案,以及對(duì)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的指導(dǎo),例如抗震設(shè)計(jì)、水位漲幅測(cè)算等,補(bǔ)足了團(tuán)隊(duì)在專(zhuān)業(yè)橋梁技術(shù)上的不足,也讓我們看到傳統(tǒng)造橋智慧與3D打印技術(shù)交融的可能性?!蓖趵镎f(shuō)道。

除了橋梁技術(shù),3D打印材料的選用,也是團(tuán)隊(duì)需直面的一大挑戰(zhàn)。由于對(duì)通用水泥在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用缺少經(jīng)驗(yàn),團(tuán)隊(duì)在尋找材料方面也頗費(fèi)了一番周折?!盀榱舜_保萬(wàn)無(wú)一失,我們找到了西北地區(qū)最大的特種水泥集團(tuán)堯柏集團(tuán)的白明科總工程師,為我們這座橋梁定制化地研發(fā)了水泥。當(dāng)時(shí),我們帶領(lǐng)7名研究生生,在水泥廠的研發(fā)實(shí)驗(yàn)室呆了2個(gè)月,和水泥廠總工程師就水泥顆粒度、礦物質(zhì)成分、水泥特性進(jìn)行了反復(fù)地討論、驗(yàn)證。畢竟,3D打印的橋梁,是沒(méi)有傳統(tǒng)橋梁所使用的鋼筋做模板的,有開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn),而高質(zhì)量的材料就尤為重要?!蓖趵镎f(shuō)。

事實(shí)上,3D打印技術(shù)發(fā)展到今天,通用水泥基復(fù)合材料也可以有很廣泛的應(yīng)用空間?!拔覀冞@次使用的水泥,畢竟是定制化的。我們更希望從既有的水泥出發(fā),甚至打破水泥材料的瓶頸,研發(fā)非水泥基的高性能復(fù)合材料,去探索它們?cè)?D打印中的應(yīng)用,這已經(jīng)是我們團(tuán)隊(duì)的一個(gè)新課題了?!蓖趵镎f(shuō)。

數(shù)千年的造橋史,數(shù)代造橋人薪火相傳,沉淀了厚重的造橋智慧。而對(duì)多元學(xué)科、新技術(shù)的包容,則使造橋這門(mén)古老的工藝突破以往界限,有了新的可能。3D打印趙州橋的故事,給出了一個(gè)驚艷的樣板。

消息來(lái)源:吉尼斯世界紀(jì)錄
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