讓3D打印建造走出實(shí)驗室(講述·弘揚科學(xué)家精神)

　　人物名片

　　徐衛國：1961年生，江蘇南通人，清華大學(xué)建筑學(xué)院教授、清華大學(xué)深圳國際研究生院未來(lái)人居研究院常務(wù)副院長(cháng)。1986年留清華大學(xué)任教后，他一直從事建筑設計及建筑理論研究。2003年以來(lái)，他通過(guò)教學(xué)、工程、策展、出版等方式，持續推動(dòng)數字設計及數字建造研究。曾獲中國建筑學(xué)會(huì )建筑設計獎·建筑教育獎、世界建筑新聞獎“最佳技術(shù)運用獎”金獎、世界建筑節杰出設計獎等。

　　橙色的機械臂，如人的手臂般靈活移動(dòng)，前端的3D打印系統正在“打印”建筑……在清華大學(xué)深圳國際研究生院未來(lái)人居研究院一樓的實(shí)驗室里，清華大學(xué)建筑學(xué)院教授徐衛國正在指導學(xué)生進(jìn)行3D打印操作。“我們研發(fā)的打印新工藝，將應用到更多智能建造中。”徐衛國說(shuō)。

　　2000多公里外，在河北張家口市下花園區武家莊村，有一座很特別的農宅。這座建筑，正是徐衛國與團隊采用3D打印混凝土技術(shù)建造完成的。

　　如何用3D打印技術(shù)建房子？智能建造如何從實(shí)驗室走進(jìn)人們的生活，前景如何？徐衛國向記者娓娓道來(lái)……

　　從墻體到屋頂，完全采用3D打印混凝土技術(shù)建造，并依靠機械臂完成施工

　　武家莊村村民趙秀娟家的墻上，有一張與徐衛國的合影。照片背景里的老房子，已被這座3D打印建筑取代：編織紋理裝飾的外墻、圓拱形的屋頂、鏤空的圍墻……新居與村中其他農宅很不一樣。

　　更不同的是建筑過(guò)程。從基礎、墻體到屋頂，農宅的建造完全采用3D打印混凝土技術(shù)建造，并依靠機械臂完成施工。用趙秀娟的話(huà)來(lái)說(shuō)，3套打印設備“就像擠牙膏一樣”，“打印”出混凝土材料，一層層向上累加，房屋的基礎、墻體等部分便漸漸呈現在人們眼前。屋頂則在單獨打印完成后，用吊機安裝到墻體上。

　　“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，智能建造指的是用機器人或者智能系統替代人進(jìn)行房屋建造。”徐衛國說(shuō)，機器人3D打印混凝土技術(shù)的優(yōu)勢在于效率高、質(zhì)量高等，還可以建造出各種優(yōu)美的不規則曲面形體。

　　如何讓3D打印建筑更好地滿(mǎn)足人們的需求？這幾年，徐衛國沒(méi)少往武家莊村跑，他指導的好幾篇研究生的論文，也是圍繞武家莊村的3D打印建造展開(kāi)的。

　　“我們的很多成果是在工地上取得的。有一年冬天，我到農村調研，發(fā)現有的村民家中窗戶(hù)透風(fēng)，保暖性有待提升。”徐衛國說(shuō)，在設計武家莊村的農宅時(shí)，團隊結合3D打印的特點(diǎn)，對墻體構造進(jìn)行了創(chuàng )新性設計，形成“結構—裝飾—保溫一體化墻體”，讓房屋變得冬暖夏涼。

　　“只有在實(shí)際操作中反復驗證，寫(xiě)出的程序、開(kāi)發(fā)出來(lái)的技術(shù)才能更好地應用于實(shí)踐，3D打印建筑工藝才能得以不斷完善。”徐衛國說(shuō)。

　　武家莊村的農宅，并非徐衛國團隊完成的第一個(gè)3D打印建筑。在一個(gè)又一個(gè)“工地”上，3D打印建筑成果落地生根——

　　上海寶山區智慧灣，一座形似飄帶的3D打印混凝土步行橋引人注目。兩臺打印系統共用450個(gè)小時(shí)打印完成全部混凝土構件。

　　廣東深圳寶安3D打印公園，蜿蜒的道路和自然起伏的地形融合，如清泉流淌于溪谷間。3D打印混凝土技術(shù)在建造特殊曲面造型時(shí)的優(yōu)勢，在該公園中得以充分體現。

　　拱橋、公園、書(shū)屋、民宅……徐衛國的作品，從實(shí)驗室走到了人們身邊。他說(shuō)，希望自己的科研成果能夠助力行業(yè)升級，改善人們的生活，“科學(xué)研究就應該為社會(huì )服務(wù)”。

　　深耕20多年，數字建筑設計逐漸變?yōu)楝F實(shí)

　　這些年，徐衛國團隊的3D打印建筑作品不斷涌現。成果背后，是他20多年來(lái)在數字建筑設計領(lǐng)域的深耕。

　　2003年，徐衛國在國外一場(chǎng)名為“非標準建筑”的展覽上第一次接觸到數字建筑設計。如何運用數字技術(shù)在電腦里生成建筑形態(tài)？這些設計能否被實(shí)際建造出來(lái)？徐衛國開(kāi)始了在數字建筑設計領(lǐng)域的探索。

　　“數字技術(shù)與建筑設計的結合形成了數字建筑設計，主要是通過(guò)算法、程序來(lái)生成設計方案。”徐衛國說(shuō)。

　　以深圳寶安3D打印公園為例，團隊通過(guò)算法模擬人群活動(dòng)，在人流密集區域布置主要景觀(guān)，再利用奇異吸引子算法生成公園總平面的雛形。隨后，對公園總體規劃進(jìn)行設計建模，完成3D模型。在建立模型的基礎上，進(jìn)行打印路徑規劃，并將代碼傳輸給機械臂。“通過(guò)算法，數字建筑設計能夠更大程度地滿(mǎn)足人們的需求。”徐衛國說(shuō)。

　　近年來(lái)，徐衛國意識到數字設計是智能建造的前提和基礎，開(kāi)始重點(diǎn)研發(fā)以3D打印為主的智能建造技術(shù)。從一場(chǎng)展覽的啟發(fā)，到一個(gè)個(gè)建筑的落成，20多年時(shí)間里，徐衛國關(guān)于數字建筑設計、智能建造等的設想逐漸變?yōu)楝F實(shí)。

　　“實(shí)際上，一路走來(lái)很不容易。”徐衛國說(shuō)，自己也遇到過(guò)一些質(zhì)疑的聲音，比如，新的設計方法是否可行，能建多大的房子，性?xún)r(jià)比高不高，等等。“但堅持做下去，總會(huì )有新收獲。”2020年，住房城鄉建設部等部門(mén)關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導意見(jiàn)印發(fā)，提出加大智能建造在工程建設各環(huán)節的應用。徐衛國深耕多年的技術(shù)有了更多用武之地。

　　是否慶幸于自己的探索與堅持？“如果沒(méi)有及早意識到數字建筑設計、智能建造的廣闊前景，沒(méi)有早去做研究，那就是我們的失職。”徐衛國說(shuō)，“科學(xué)研究就是要有前瞻性，要看到未來(lái)的需求，不斷探索、求新。”

　　激發(fā)學(xué)生想象力，探索未來(lái)建筑的各種可能性

　　如何在火星上建房子？

　　采訪(fǎng)時(shí)，徐衛國剛剛為學(xué)生們上完一節建筑設計專(zhuān)題課。這門(mén)課上，學(xué)生們要圍繞“火星居留地”進(jìn)行設計。

　　“在火星上，人輕輕一跳，就比在地球上跳得高很多——火星上的建筑，與地球上的建筑也完全不同。”徐衛國說(shuō)，他想激發(fā)學(xué)生們的想象力，探索未來(lái)建筑的各種可能性。

　　他講授的建筑設計專(zhuān)題是一門(mén)討論課，學(xué)生在課下完成準備工作，上課時(shí)展示自己的成果，老師進(jìn)行點(diǎn)評、提出建議。

　　“剛才這節課上，我們討論了各個(gè)小組的建筑設計任務(wù)書(shū)。我們要自己設定‘火星居留地’上的人物和背景，在此基礎上進(jìn)行建筑設計。”剛上完課的學(xué)生李洪君興奮地說(shuō)。

　　聽(tīng)上去有些科幻，但這其實(shí)與建筑設計息息相關(guān)。“人物之間的聯(lián)系，其實(shí)是建筑空間關(guān)系的一個(gè)參照，會(huì )轉換成空間之間的關(guān)系。”徐衛國說(shuō)，課程中的每一項任務(wù)，都對應著(zhù)實(shí)際的建筑設計過(guò)程。

　　徐衛國關(guān)注建筑的未來(lái)，也關(guān)注學(xué)生的成長(cháng)。1983年本科畢業(yè)后，徐衛國讀研期間就開(kāi)始擔任課程助教，距今已有40年。在他看來(lái)，啟發(fā)、引導、交流，是教師工作的重點(diǎn)之一。“現在獲取知識的渠道越來(lái)越多，找到答案并非難事。如何啟發(fā)學(xué)生找到新知識、新方向，是最重要的。”他說(shuō)。

　　“徐老師很尊重學(xué)生的意見(jiàn)”“徐老師的創(chuàng )新意識令人佩服”……徐衛國指導的研究生們，在創(chuàng )新的氛圍中不斷成長(cháng)，他們圍繞未來(lái)城市及支撐技術(shù)、數字建筑與智能建造、技術(shù)人文等領(lǐng)域開(kāi)展研究。

　　他們把目光投向未來(lái)。

　　記者手記

　　始于興趣 源自責任

　　采訪(fǎng)結束后，徐衛國匆匆趕往機場(chǎng)，去外地進(jìn)行授課。年過(guò)60歲的他依然奔波在各地的教學(xué)和“工地”現場(chǎng)，探索智能建造前沿，創(chuàng )新的熱情不減。

　　創(chuàng )新，始于興趣。回憶剛剛開(kāi)始研究數字建筑設計的情形，徐衛國說(shuō)，新興事物，總是讓人心潮澎湃。當時(shí)雖然研究條件有限，但干勁十足，制定年度工作計劃，一下子能寫(xiě)好幾頁(yè)。

　　創(chuàng )新，也源自責任。在徐衛國看來(lái)，隨著(zhù)智能建造的發(fā)展，建筑工人的體力負擔將不斷減輕，建筑將更加符合人們的需求，人居環(huán)境將更加舒適。心懷這樣的目標，也激勵著(zhù)他矢志創(chuàng )新，不斷推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步。

　　吳 月