讓3D打印建造走出實驗室(講述·弘揚科學家精神)

　　人物名片

　　徐衛國：1961年生，江蘇南通人，清華大學建筑學院教授、清華大學深圳國際研究生院未來人居研究院常務副院長。1986年留清華大學任教后，他一直從事建筑設計及建筑理論研究。2003年以來，他通過教學、工程、策展、出版等方式，持續推動數字設計及數字建造研究。曾獲中國建筑學會建筑設計獎·建筑教育獎、世界建筑新聞獎“最佳技術運用獎”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，前端的3D打印系統正在“打印”建筑……在清華大學深圳國際研究生院未來人居研究院一樓的實驗室里，清華大學建筑學院教授徐衛國正在指導學生進行3D打印操作。“我們研發的打印新工藝，將應用到更多智能建造中。”徐衛國說。

　　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打印混凝土技術建造完成的。

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

　　從墻體到屋頂，完全采用3D打印混凝土技術建造，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打印混凝土技術建造，并依靠機械臂完成施工。用趙秀娟的話來說，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。

　　“簡單來說，智能建造指的是用機器人或者智能系統替代人進行房屋建造。”徐衛國說，機器人3D打印混凝土技術的優勢在于效率高、質量高等，還可以建造出各種優美的不規則曲面形體。

　　如何讓3D打印建筑更好地滿足人們的需求？這幾年，徐衛國沒少往武家莊村跑，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，發現有的村民家中窗戶透風，保暖性有待提升。”徐衛國說，在設計武家莊村的農宅時，團隊結合3D打印的特點，對墻體構造進行了創新性設計，形成“結構—裝飾—保溫一體化墻體”，讓房屋變得冬暖夏涼。

　　“只有在實際操作中反復驗證，寫出的程序、開發出來的技術才能更好地應用于實踐，3D打印建筑工藝才能得以不斷完善。”徐衛國說。

　　武家莊村的農宅，并非徐衛國團隊完成的第一個3D打印建筑。在一個又一個“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個小時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打印混凝土技術在建造特殊曲面造型時的優勢，在該公園中得以充分體現。

　　拱橋、公園、書屋、民宅……徐衛國的作品，從實驗室走到了人們身邊。他說，希望自己的科研成果能夠助力行業升級，改善人們的生活，“科學研究就應該為社會服務”。

　　深耕20多年，數字建筑設計逐漸變為現實

　　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多年來在數字建筑設計領域的深耕。

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

　　“數字技術與建筑設計的結合形成了數字建筑設計，主要是通過算法、程序來生成設計方案。”徐衛國說。

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

　　近年來，徐衛國意識到數字設計是智能建造的前提和基礎，開始重點研發以3D打印為主的智能建造技術。從一場展覽的啟發，到一個個建筑的落成，20多年時間里，徐衛國關于數字建筑設計、智能建造等的設想逐漸變為現實。

　　“實際上，一路走來很不容易。”徐衛國說，自己也遇到過一些質疑的聲音，比如，新的設計方法是否可行，能建多大的房子，性價比高不高，等等。“但堅持做下去，總會有新收獲。”2020年，住房城鄉建設部等部門關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見印發，提出加大智能建造在工程建設各環節的應用。徐衛國深耕多年的技術有了更多用武之地。

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

　　激發學生想象力，探索未來建筑的各種可能性

　　如何在火星上建房子？

　　采訪時，徐衛國剛剛為學生們上完一節建筑設計專題課。這門課上，學生們要圍繞“火星居留地”進行設計。

　　“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，他想激發學生們的想象力，探索未來建筑的各種可能性。

　　他講授的建筑設計專題是一門討論課，學生在課下完成準備工作，上課時展示自己的成果，老師進行點評、提出建議。

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

　　聽上去有些科幻，但這其實與建筑設計息息相關。“人物之間的聯系，其實是建筑空間關系的一個參照，會轉換成空間之間的關系。”徐衛國說，課程中的每一項任務，都對應著實際的建筑設計過程。

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

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

　　他們把目光投向未來。

　　記者手記

　　始于興趣 源自責任

　　采訪結束后，徐衛國匆匆趕往機場，去外地進行授課。年過60歲的他依然奔波在各地的教學和“工地”現場，探索智能建造前沿，創新的熱情不減。

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

　　創新，也源自責任。在徐衛國看來，隨著智能建造的發展，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，人居環境將更加舒適。心懷這樣的目標，也激勵著他矢志創新，不斷推動技術進步。

　　吳 月