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(jì)錄對往期獲獎故事進(jìn)行了回顧整理，本期將講述“最長的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“最長的3D打印橋”吉尼斯世界紀(jì)錄?稱號。這座由河北工業(yè)大學(xué)馬國偉教授團(tuán)隊(duì)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?！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知”，所以無畏無懼，因?yàn)闊o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(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(jiān)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(xué)科的“初生牛犢”打印而成。
“因?yàn)椴皇菢蛄簩I(yè)出身，所以團(tuán)隊(duì)對潛在的困難和風(fēng)險(xiǎn)缺少專業(yè)認(rèn)知，這的確給我們后續(xù)工作帶來過挑戰(zhàn)。但從另一個(gè)角度來看，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)王里博士說道。
橋面
事實(shí)上，河北工業(yè)大學(xué)馬國偉教授團(tuán)隊(duì)提出用3D打印技術(shù)來“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?！拔覀兪且粋€(gè)融合了土木、機(jī)械、建筑、藝術(shù)、計(jì)算機(jī)、自動化控制等多學(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，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(shí)際的挑戰(zhàn)，例如如何確保質(zhì)量一致性、如何應(yīng)對用工短缺等，這些問題其實(shí)都有機(jī)會借助3D打印技術(shù)得到解決。因此，我們希望以實(shí)際行動去驗(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。”王里說道。
而橋梁作為承載了土木建筑智慧精華的門類，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，是對建造科技的傳承和弘揚(yáng)，也是對河北傳統(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，對我國建筑現(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(shí)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(xué)馬國偉教授團(tuán)隊(duì)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(shè)計(jì)到落地，過程曲折而又艱難。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)過選題、反復(fù)論證，項(xiàng)目正式啟動已是2018年初，而整個(gè)橋梁完全建成則需要等到2019年9月30日。
一座全長不到30米的小橋，何以需要這么長的時(shí)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(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，確切地說是在未知中去摸索。”王里說道。
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)來負(fù)責(zé)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)會先做圖形設(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(jì)算機(jī)程序能夠識別的語言，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)場拼裝，完成橋梁建造。
橋面細(xì)節(jié)
“從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)開始，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。理論上講，如果打印機(jī)足夠大，那么整個(gè)橋梁有可能會被完整打印出來。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，問題就來了，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，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(yàn)證，全鏈條工作都需要同步調(diào)整。
這時(shí)，學(xué)科交叉帶來的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了，極大程度上推動了項(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。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(tuán)隊(duì)中有著自動化學(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，會在24小時(shí)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(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)門類和團(tuán)隊(duì)的作用。所以，我們認(rèn)為，與其說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)對多學(xué)科的包容、對人才的尊重，使我們收獲了天時(shí)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(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)樵蛠硇陆蛄?，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)大師王長科的到來為整個(gè)團(tuán)隊(duì)打開了一扇窗。
王長科是研究趙州橋的國學(xué)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(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科老師相當(dāng)于我們的文化顧問，對于團(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(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)問題迎刃而解。在海河綜合開發(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(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的指導(dǎo)，例如抗震設(shè)計(jì)、水位漲幅測算等，補(bǔ)足了團(tuán)隊(duì)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?！蓖趵镎f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_保萬無一失，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，是沒有傳統(tǒng)橋梁所使用的鋼筋做模板的，有開裂的風(fēng)險(xiǎn)，而高質(zhì)量的材料就尤為重要?！蓖趵镎f。
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。“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(fù)合材料，去探索它們在3D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。
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(xué)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(gè)驚艷的樣板。
