吉尼斯世界紀錄：多元學(xué)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(dǎo)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(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”吉尼斯世界紀錄™稱號。這座由河北工業(yè)大學(xué)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(xué)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(shè)想。”作為項目統(tǒng)籌的河北工業(yè)大學(xué)王里博士說道。

△橋面

事實上，河北工業(yè)大學(xué)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(shè)本身涉及非常專業(yè)、復(fù)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(xué)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(shù)、計算機、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，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(shè)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(yīng)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(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，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(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(shè)計到落地，過程曲折而又艱難。2017年下半年，河北工業(yè)大學(xué)3D打印橋項目團隊正式組建，經(jīng)過選題、反復(fù)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(shè)計規(guī)范和建設(shè)流程要求，還是橋梁設(shè)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�！蓖趵镎f道。

常規(guī)的設(shè)計制作流程，一般包括模塊化設(shè)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(shè)計團隊會先做圖形設(shè)計，將整個橋梁分成不同設(shè)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(shè)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(shè)計環(huán)節(jié)開始，我們就遇到了很大的挑戰(zhàn)。事實上，僅設(shè)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(shè)備、材料等自身的工藝性限制，并不是所有設(shè)計圖形都能打印出來，模塊設(shè)計應(yīng)如何調(diào)整？同時，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(shè)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(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目的進展。例如，團隊有位同學(xué)是學(xué)設(shè)計的，但曾經(jīng)做過數(shù)年的施工方案，所以能很好地將設(shè)計和施工工作銜接起來。因此，整個團隊得以將模塊設(shè)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(shè)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(xué)科背景的團隊成員，為橋梁設(shè)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(xué)科使我們收益良多。尤其是跨學(xué)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(xué)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(dǎo)一二就太有裨益了。這時，工程勘察設(shè)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(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打印橋團隊所需要的。“王長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(shè)計構(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，需要一次性精準地吊裝完成。

另一位工程勘察設(shè)計大師的指導(dǎo)，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(shè)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(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(shè)計團隊的指導(dǎo)，例如抗震設(shè)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(yīng)用缺少經(jīng)驗，團隊在尋找材料方面也頗費了一番周折。“為了確保萬無一失，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(fù)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(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，去探索它們在3D打印中的應(yīng)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(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，給出了一個驚艷的樣板。