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吉尼斯世界纪录一直倡导以创造世界纪录的方式激发人们的探索欲,并鼓励人们用一颗对新事物、对不确定性充满包容的心灵,在未知中去期待、探索和发现,创造无限可能。近期,吉尼斯世界纪录对往期获奖故事进行了回顾整理,本期将讲述“最长的3D打印桥”吉尼斯世界纪录获得者3D打印赵州桥的故事。

最长的3D打印桥

2020年7月21日,坐落于河北工业大学的装配式混凝土3D打印赵州桥,正式获得“最长的3D打印桥”吉尼斯世界纪录™称号。这座由河北工业大学马国伟教授团队共同建造的3D打印桥梁,全长28.15米、净跨度17.94米,受到业内外关注。

1400年前,正在河北赵县城南洨河之上来回踱步、监督千万工匠雕琢一座传奇之桥的李春,也许不会想到这座他倾尽心血的赵州桥会穿越千年,与它的3D版本“握手”。而让这位杰出的桥梁专家更不会想到的是,传承他衣钵的已不是传统意义上的工匠们,而是一群来自不同领域、掌握3D打印技术的年轻人。

桥梁东侧视图

与能工巧匠构筑赵州桥不同,3D打印赵州桥却是由一群“不懂桥”的年轻人,使用现代智慧建造而成。“不懂桥”,并未阻碍这个年轻团队的探索热情。因为“无知”,所以无畏无惧,因为无畏无惧,所以能够海纳百川、突破边界、创造可能。而这种精神与吉尼斯世界纪录愿景中所宣扬的“永远保持好奇,坚持寻找答案;拥有开放的心态;相信全力以赴,万事皆有可能”,殊途同归,为人们勇于探索世界带来启示。

“不懂”桥,却坚持寻找“桥”的答案

“最长的3D打印桥”并非传统土木人的手笔,而是由一群平均年龄不到25岁、来自多元学科的“初生牛犊”打印而成。

“因为不是桥梁专业出身,所以团队对潜在的困难和风险缺少专业认知,这的确给我们后续工作带来过挑战。但从另一个角度来看,这反而能够使我们不被局限,进行大胆设想。”作为项目统筹的河北工业大学王里博士说道。

桥面

事实上,河北工业大学马国伟教授团队提出用3D打印技术来“打印”一座桥梁时,业内并不看好。因为,传统桥梁建设本身涉及非常专业、复杂的理论验证和工程工艺,而用3D打印的先进建造方式筑桥,并且由一个非桥梁专业的团队操刀,更是难上加难,不确定性极高。

但河北工业大学团队却并未止步于此。“我们是一个融合了土木、机械、建筑、艺术、计算机、自动化控制等多学科的智能建造学科群,学科能力很全面。同时,我们的实验室也在3D打印技术领域探索了数年,在材料、施工、设备、工艺的研发方面有很多的进展和成果。所以,我们认为,团队有自己的优势,有能力去探索一些新的方向。而建筑作为高度依赖人力的行业,也面临一些实际的挑战,例如如何确保质量一致性、如何应对用工短缺等,这些问题其实都有机会借助3D打印技术得到解决。因此,我们希望以实际行动去验证3D打印技术在建筑行业可以落地,为建筑行业创新贡献一份力量。”王里说道。

而桥梁作为承载了土木建筑智慧精华的门类,引起了团队极大的兴趣。在选择打印方向时,赵州桥这座闻名中外的石拱桥进入大家的视野。赵州桥是力学与美学完美融合的典范,是桥梁史上的丰碑。而由于坐落于燕赵大地,这座千年古桥也成为河北文化传承的象征。

“将经历千年的赵州桥与现代化的3D打印相结合,建造一座装配式3D打印赵州桥,是对建造科技的传承和弘扬,也是对河北传统文化的认同和回归。这个步行桥的成功落成,可以推进智能建造关键技术的发展,对我国建筑现代化的进程也具有重要意义。” 河北工业大学马国伟教授在一次采访中说。

非桥梁专业出身的造桥者们,正以实际行动告诉先人、同仁和后来者,造桥,有无限可能。

由河北工业大学马国伟教授团队共同建造的3D打印桥梁,全长28.15米、净跨度17.94米

造桥维艰,有容乃成

以3D打印技术再造一座赵州桥,从设计到落地,过程曲折而又艰难。2017年下半年,河北工业大学3D打印桥项目团队正式组建,经过选题、反复论证,项目正式启动已是2018年初,而整个桥梁完全建成则需要等到2019年9月30日。

一座全长不到30米的小桥,何以需要这么长的时间来“打印”?

“最根本的原因,还是没有先例可循。无论是监管层面的设计规范和建设流程要求,还是桥梁设计施工本身,行业内并无既有的规范标准或范例供我们参考,一切都需要团队从头做起,确切地说是在未知中去摸索。”王里说道。

常规的设计制作流程,一般包括模块化设计、3D打印、装配化施工等环节,分别由不同团队来负责。设计团队会先做图形设计,将整个桥梁分成不同设计模块,并要验证模块拼装后整个项目的安全性能等;3D打印团队拿到设计团队完成的图纸之后,会继续完成3D打印图纸;随后,3D打印图纸会被指令化,以变成计算机程序能够识别的语言,便于后续打印、施工;而施工团队,则需要将打印的各模块进行现场拼装,完成桥梁建造。

桥面细节

“从设计环节开始,我们就遇到了很大的挑战。事实上,仅设计方案,我们就更改了很多次。”王里介绍说。理论上讲,如果打印机足够大,那么整个桥梁有可能会被完整打印出来。但我们团队主打的理念是面向装配式建筑的3D打印智能建造,将整个桥梁分割成多个模块,分别制作。

那么,问题就来了,桥梁如何切分、切成多少个模块、每个模块大小如何?由于打印设备、材料等自身的工艺性限制,并不是所有设计图形都能打印出来,模块设计应如何调整?同时,打印参数应如何做相应的配置以迎合材料特性,特别是水泥随时间变化的性能,以确保打印精度、便于装配?这些都是摆在设计团队,甚至是整个团队面前的问题。

不难看出,方案中每一个模块的设计、细节的调整,都是一项牵一发而动全身的工作。尤其是每一次微小的改动,都会涉及周边模块的调整,以及安全性能的重新验证,全链条工作都需要同步调整。

这时,学科交叉带来的优势就体现出来了,极大程度上推动了项目的进展。例如,团队有位同学是学设计的,但曾经做过数年的施工方案,所以能很好地将设计和施工工作衔接起来。因此,整个团队得以将模块设计与后续的装配工作纳入统一思考,使问题得以前置,从最初模块设计阶段就解决装配落地的问题,大大提升了工作效率。

此外,为了监测桥梁的安全性能,团队中有着自动化学科背景的团队成员,为桥梁设计了传感器装置。桥梁不同部位被安置了诸多传感器后,会在24小时之内不间断监测气温、地基沉降、水位对桥梁的影响数据,并将其上传至云端。

“多学科使我们收益良多。尤其是跨学科经验的团队成员往往起到的作用是非常巨大的,他们是另一种桥梁,在新技术背景下起着沟通不同技术门类和团队的作用。所以,我们认为,与其说3D打印赵州桥的成功得益于技术的进步,我们更愿意相信是团队对多学科的包容、对人才的尊重,使我们收获了天时地利人和。”王里介绍说。

八方智慧来援筑新桥

随着3D打印桥项目的推进,更多挑战随之浮出水面。而这时,传统造桥智慧的到援,最终使3D打印桥挺起脊梁,横跨河上。

既然是以赵州桥为原型来新建桥梁,团队就必需先了解“母版”-- 土木建筑史上的丰碑赵州桥。作为缺少桥梁专业背景的团队而言,如有一位精通赵州桥前世今生的“老师傅”能前来指导一二就太有裨益了。这时,工程勘察设计大师王长科的到来为整个团队打开了一扇窗。

王长科是研究赵州桥的国学大师,曾对赵州桥做过非常系统的研究,并有相关著作论述。而其对赵州桥使用的力学原理,桥梁自身的工程概况、工程结构、受力分析、技术措施和建筑美学、建筑文化的了解正是3D打印桥团队所需要的。“王长科老师相当于我们的文化顾问,对于团队从整体了解赵州桥、进行3D打印桥的设计构想,提供了前置性指导意见和可靠的参考。”王里说。

而在施工装配阶段,更大的困难却是桥拱的装配。传统的做法是,抽干河水、搭建脚手架、依次施工,完成桥拱、桥身的搭建。但此次3D打印桥不同,它的桥拱被分成三大模块,需要一次性精准地吊装完成。

另一位工程勘察设计大师的指导,让这个问题迎刃而解。在海河综合开发改造工程中,主持设计和施工完成了多座创新型桥梁的韩振勇大师,提出了“体外拉索预应力”这一方法。所谓“体外拉索预应力”,就是将桥拱三大模块预先拼装,相当于弓箭的弓,“弓”两端的线也就是拉索,相当于弓弦;而吊装的时候,拉索会被拉紧,以控制桥拱结构、调整误差,等调整完毕,拉索放开,桥拱一次性装配完成。

“韩大师的解决方案,以及对设计团队的指导,例如抗震设计、水位涨幅测算等,补足了团队在专业桥梁技术上的不足,也让我们看到传统造桥智慧与3D打印技术交融的可能性。”王里说道。

除了桥梁技术,3D打印材料的选用,也是团队需直面的一大挑战。由于对通用水泥在3D打印领域的应用缺少经验,团队在寻找材料方面也颇费了一番周折。“为了确保万无一失,我们找到了西北地区最大的特种水泥集团尧柏集团的白明科总工程师,为我们这座桥梁定制化地研发了水泥。当时,我们带领7名研究生生,在水泥厂的研发实验室呆了2个月,和水泥厂总工程师就水泥颗粒度、矿物质成分、水泥特性进行了反复地讨论、验证。毕竟,3D打印的桥梁,是没有传统桥梁所使用的钢筋做模板的,有开裂的风险,而高质量的材料就尤为重要。”王里说。

事实上,3D打印技术发展到今天,通用水泥基复合材料也可以有很广泛的应用空间。“我们这次使用的水泥,毕竟是定制化的。我们更希望从既有的水泥出发,甚至打破水泥材料的瓶颈,研发非水泥基的高性能复合材料,去探索它们在3D打印中的应用,这已经是我们团队的一个新课题了。”王里说。

数千年的造桥史,数代造桥人薪火相传,沉淀了厚重的造桥智慧。而对多元学科、新技术的包容,则使造桥这门古老的工艺突破以往界限,有了新的可能。3D打印赵州桥的故事,给出了一个惊艳的样板。

发布时间:2021-06-22 09:31

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