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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

2021/6/22 10:29:33 來源:中國企業新聞網

導言:吉尼斯世界紀錄一直倡導以創造世界紀錄的方式激發人們的探索欲,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、探索和發現,創造無限可能。本期回顧將講述“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。

  吉尼斯世界紀錄一直倡導以創造世界紀錄的方式激發人們的探索欲,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、探索和發現,創造無限可能。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

  最長的3D打印橋

  2020年7月21日,坐落于河北工業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,受到業內外關注。

  1400年前,正在河北趙縣城南洨河之上來回踱步、監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

  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;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。

  “因為不是橋梁專業出身,所以團隊對潛在的困難和風險缺少專業認知,這的確給我們后續工作帶來過挑戰。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籌的河北工業大學王里博士說道! 

橋面

  橋面

  事實上,河北工業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,業內并不看好。因為,傳統橋梁建設本身涉及非常專業、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的團隊操刀,更是難上加難,不確定性極高。

  但河北工業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、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年,在材料、施工、設備、工藝的研發方面有很多的進展和成果。所以,我們認為,團隊有自己的優勢,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,也面臨一些實際的挑戰,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可以落地,為建筑行業創新貢獻一份力量!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展,對我國建筑現代化的進程也具有重要意義! 河北工業大學馬國偉教授在一次采訪中說。

  非橋梁專業出身的造橋者們,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

  由河北工業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。無論是監管層面的設計規范和建設流程要求,還是橋梁設計施工本身,行業內并無既有的規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、裝配化施工等環節,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,便于后續打印、施工;而施工團隊,則需要將打印的各模塊進行現場拼裝,完成橋梁建造! 

橋面細節

  橋面細節

  “從設計環節開始,我們就遇到了很大的挑戰。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、細節的調整,都是一項牽一發而動全身的工作。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,學科交叉帶來的優勢就體現出來了,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的裝配工作納入統一思考,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小時之內不間斷監測氣溫、地基沉降、水位對橋梁的影響數據,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,更多挑戰隨之浮出水面。而這時,傳統造橋智慧的到援,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。在海河綜合開發改造工程中,主持設計和施工完成了多座創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,補足了團隊在專業橋梁技術上的不足,也讓我們看到傳統造橋智慧與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。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了水泥。當時,我們帶領7名研究生生,在水泥廠的研發實驗室呆了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!蓖趵镎f。

  事實上,3D打印技術發展到今天,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,甚至打破水泥材料的瓶頸,研發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!蓖趵镎f。

  數千年的造橋史,數代造橋人薪火相傳,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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[責任編輯:姚小冰]
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