吉尼斯世界紀錄：多元學科團隊用3D打印技術(shù)還原趙州橋

來源：財報網(wǎng)

吉尼斯世界紀錄一直倡導以創(chuàng)造世界紀錄的方式激發(fā)人們的探索欲，并鼓勵人們用一顆對新事物,、對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)造無限可能,。近期,，吉尼斯世界紀錄對往期獲獎故事進行了回顧整理，本期將講述“最長的3D打印橋”吉尼斯世界紀錄獲得者3D打印趙州橋的故事,。

△最長的3D打印橋

2020年7月21日,，坐落于河北工業(yè)大學的裝配式混凝土3D打印趙州橋，正式獲得“最長的3D打印橋”吉尼斯世界紀錄™稱號,。這座由河北工業(yè)大學馬國偉教授團隊共同建造的3D打印橋梁,，全長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回踱步,、監(jiān)督千萬工匠雕琢一座傳奇之橋的李春,，也許不會想到這座他傾盡心血的趙州橋會穿越千年，與它的3D版本“握手”,。而讓這位杰出的橋梁專家更不會想到的是,，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

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,。“不懂橋”,，并未阻礙這個年輕團隊的探索熱情,。因為“無知”，所以無畏無懼,，因為無畏無懼,，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錄愿景中所宣揚的“永遠保持好奇，堅持尋找答案,；擁有開放的心態(tài),；相信全力以赴,，萬事皆有可能”，殊途同歸,，為人們勇于探索世界帶來啟示,。

“不懂”橋，卻堅持尋找“橋”的答案

“最長的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,、來自多元學科的“初生牛犢”打印而成。

“因為不是橋梁專業(yè)出身,，所以團隊對潛在的困難和風險缺少專業(yè)認知,，這的確給我們后續(xù)工作帶來過挑戰(zhàn)。但從另一個角度來看,，這反而能夠使我們不被局限,，進行大膽設想�,！弊鳛轫椖拷y(tǒng)籌的河北工業(yè)大學王里博士說道,。

△橋面

事實上，河北工業(yè)大學馬國偉教授團隊提出用3D打印技術(shù)來“打印”一座橋梁時,，業(yè)內(nèi)并不看好,。因為，傳統(tǒng)橋梁建設本身涉及非常專業(yè),、復雜的理論驗證和工程工藝,，而用3D打印的先進建造方式筑橋，并且由一個非橋梁專業(yè)的團隊操刀,，更是難上加難,，不確定性極高。

但河北工業(yè)大學團隊卻并未止步于此,�,！拔覀兪且粋�融合了土木、機械,、建筑,、藝術(shù)、計算機,、自動化控制等多學科的智能建造學科群,，學科能力很全面。同時,，我們的實驗室也在3D打印技術(shù)領(lǐng)域探索了數(shù)年,，在材料、施工、設備,、工藝的研發(fā)方面有很多的進展和成果,。所以，我們認為,，團隊有自己的優(yōu)勢,，有能力去探索一些新的方向。而建筑作為高度依賴人力的行業(yè),，也面臨一些實際的挑戰(zhàn),，例如如何確保質(zhì)量一致性、如何應對用工短缺等,，這些問題其實都有機會借助3D打印技術(shù)得到解決,。因此，我們希望以實際行動去驗證3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)可以落地,，為建筑行業(yè)創(chuàng)新貢獻一份力量�,！蓖趵镎f道,。

而橋梁作為承載了土木建筑智慧精華的門類，引起了團隊極大的興趣,。在選擇打印方向時,，趙州橋這座聞名中外的石拱橋進入大家的視野。趙州橋是力學與美學完美融合的典范,，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，是對建造科技的傳承和弘揚,，也是對河北傳統(tǒng)文化的認同和回歸,。這個步行橋的成功落成，可以推進智能建造關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展,，對我國建筑現(xiàn)代化的進程也具有重要意義,。” 河北工業(yè)大學馬國偉教授在一次采訪中說,。

非橋梁專業(yè)出身的造橋者們,，正以實際行動告訴先人、同仁和后來者,，造橋,，有無限可能。

△由河北工業(yè)大學馬國偉教授團隊共同建造的3D打印橋梁，全長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，從設計到落地,，過程曲折而又艱難,。2017年下半年，河北工業(yè)大學3D打印橋項目團隊正式組建,，經(jīng)過選題,、反復論證，項目正式啟動已是2018年初,，而整個橋梁完全建成則需要等到2019年9月30日,。

一座全長不到30米的小橋，何以需要這么長的時間來“打印”,？

“最根本的原因,，還是沒有先例可循。無論是監(jiān)管層面的設計規(guī)范和建設流程要求,，還是橋梁設計施工本身,，行業(yè)內(nèi)并無既有的規(guī)范標準或范例供我們參考，一切都需要團隊從頭做起,，確切地說是在未知中去摸索,。”王里說道,。

常規(guī)的設計制作流程,，一般包括模塊化設計、3D打印,、裝配化施工等環(huán)節(jié),，分別由不同團隊來負責。設計團隊會先做圖形設計,，將整個橋梁分成不同設計模塊,，并要驗證模塊拼裝后整個項目的安全性能等；3D打印團隊拿到設計團隊完成的圖紙之后,，會繼續(xù)完成3D打印圖紙,；隨后，3D打印圖紙會被指令化,，以變成計算機程序能夠識別的語言,，便于后續(xù)打印、施工,；而施工團隊,，則需要將打印的各模塊進行現(xiàn)場拼裝,，完成橋梁建造。

△橋面細節(jié)

“從設計環(huán)節(jié)開始,，我們就遇到了很大的挑戰(zhàn),。事實上，僅設計方案,，我們就更改了很多次,。”王里介紹說,。理論上講,，如果打印機足夠大，那么整個橋梁有可能會被完整打印出來,。但我們團隊主打的理念是面向裝配式建筑的3D打印智能建造,，將整個橋梁分割成多個模塊，分別制作,。

那么,，問題就來了，橋梁如何切分,、切成多少個模塊,、每個模塊大小如何？由于打印設備,、材料等自身的工藝性限制，并不是所有設計圖形都能打印出來,，模塊設計應如何調(diào)整,？同時，打印參數(shù)應如何做相應的配置以迎合材料特性,，特別是水泥隨時間變化的性能,，以確保打印精度、便于裝配,？這些都是擺在設計團隊,，甚至是整個團隊面前的問題。

不難看出,，方案中每一個模塊的設計,、細節(jié)的調(diào)整，都是一項牽一發(fā)而動全身的工作,。尤其是每一次微小的改動,，都會涉及周邊模塊的調(diào)整，以及安全性能的重新驗證,，全鏈條工作都需要同步調(diào)整,。

這時,，學科交叉帶來的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了，極大程度上推動了項目的進展,。例如,，團隊有位同學是學設計的，但曾經(jīng)做過數(shù)年的施工方案,，所以能很好地將設計和施工工作銜接起來,。因此，整個團隊得以將模塊設計與后續(xù)的裝配工作納入統(tǒng)一思考,，使問題得以前置,，從最初模塊設計階段就解決裝配落地的問題，大大提升了工作效率,。

此外,，為了監(jiān)測橋梁的安全性能，團隊中有著自動化學科背景的團隊成員,，為橋梁設計了傳感器裝置,。橋梁不同部位被安置了諸多傳感器后，會在24小時之內(nèi)不間斷監(jiān)測氣溫,、地基沉降,、水位對橋梁的影響數(shù)據(jù)，并將其上傳至云端,。

“多學科使我們收益良多,。尤其是跨學科經(jīng)驗的團隊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)門類和團隊的作用,。所以，我們認為,，與其說3D打印趙州橋的成功得益于技術(shù)的進步,，我們更愿意相信是團隊對多學科的包容、對人才的尊重,，使我們收獲了天時地利人和,。”王里介紹說,。

八方智慧來援筑新橋

隨著3D打印橋項目的推進,，更多挑戰(zhàn)隨之浮出水面。而這時,，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,。

既然是以趙州橋為原型來新建橋梁,，團隊就必需先了解“母版”-- 土木建筑史上的豐碑趙州橋,。作為缺少橋梁專業(yè)背景的團隊而言，如有一位精通趙州橋前世今生的“老師傅”能前來指導一二就太有裨益了,。這時,，工程勘察設計大師王長科的到來為整個團隊打開了一扇窗。

王長科是研究趙州橋的國學大師,，曾對趙州橋做過非常系統(tǒng)的研究,，并有相關(guān)著作論述。而其對趙州橋使用的力學原理,，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,、建筑文化的了解正是3D打印橋團隊所需要的�,！巴蹰L科老師相當于我們的文化顧問,，對于團隊從整體了解趙州橋、進行3D打印橋的設計構(gòu)想,，提供了前置性指導意見和可靠的參考,。”王里說,。

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，需要一次性精準地吊裝完成,。

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

“韓大師的解決方案，以及對設計團隊的指導,，例如抗震設計,、水位漲幅測算等，補足了團隊在專業(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,。”王里說道,。

除了橋梁技術(shù),，3D打印材料的選用，也是團隊需直面的一大挑戰(zhàn),。由于對通用水泥在3D打印領(lǐng)域的應用缺少經(jīng)驗,，團隊在尋找材料方面也頗費了一番周折�,！盀榱舜_保萬無一失,，我們找到了西北地區(qū)最大的特種水泥集團堯柏集團的白明科總工程師，為我們這座橋梁定制化地研發(fā)了水泥,。當時,，我們帶領(lǐng)7名研究生生，在水泥廠的研發(fā)實驗室呆了2個月,，和水泥廠總工程師就水泥顆粒度,、礦物質(zhì)成分、水泥特性進行了反復地討論,、驗證,。畢竟，3D打印的橋梁,，是沒有傳統(tǒng)橋梁所使用的鋼筋做模板的,，有開裂的風險，而高質(zhì)量的材料就尤為重要,�,！蓖趵镎f,。

事實上，3D打印技術(shù)發(fā)展到今天,，通用水泥基復合材料也可以有很廣泛的應用空間,。“我們這次使用的水泥,，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合材料,，去探索它們在3D打印中的應用，這已經(jīng)是我們團隊的一個新課題了,�,！蓖趵镎f。

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。而對多元學科,、新技術(shù)的包容,，則使造橋這門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,，給出了一個驚艷的樣板。