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吉尼斯世界紀錄:多元學科團隊用3D打印技術還原趙州橋

3D打印動態(tài)
2021
06/23
11:37
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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)內外關注,。

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域,、掌握3D打印技術的年輕人,。

△橋梁東側視圖

與能工巧匠構筑趙州橋不同,,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打印技術來“打印”一座橋梁時,,業(yè)內并不看好。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,。“我們是一個融合了土木,、機械,、建筑、藝術,、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打印技術領域探索了數(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打印技術得到解決。因此,,我們希望以實際行動去驗證3D打印技術在建筑行業(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,。

“將經歷千年的趙州橋與現(xiàn)代化的3D打印相結合,,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鍵技術的發(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�,!蓖趵镎f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�,!蓖趵锝榻B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整,以及安全性能的重新驗證,,全鏈條工作都需要同步調整,。

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,,在新技術背景下起著溝通不同技術門類和團隊的作用。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�,!蓖趵锝榻B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、工程結構,、受力分析,、技術措施和建筑美學、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打印橋的設計構想,,提供了前置性指導意見和可靠的參考�,!蓖趵镎f,。

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,以控制橋拱結構,、調整誤差,,等調整完畢,,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)橋梁技術上的不足,,也讓我們看到傳統(tǒng)造橋智慧與3D打印技術交融的可能性�,!蓖趵镎f道,。

除了橋梁技術,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打印領域的應用缺少經驗,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,,而高質量的材料就尤為重要,。”王里說。

事實上,,3D打印技術發(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�,!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合材料,去探索它們在3D打印中的應用,,這已經是我們團隊的一個新課題了,。”王里說,。

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,。




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