全球最长高分子3D打印桥在成都——流云桥,等你来打卡

2021-12-22 10:25 啸云3D打印
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“3,2,1,茄子!”12月14日,成都市龙泉驿区驿马河公园,临近中午,仍有一波接一波游客排着长队,争相与流云桥合影。


两周多前,驿马河公园二期正式开园,随之亮相的流云桥迅速成为网红打卡地——它是全球最长高分子3D打印桥,由中建西南设计研究院和上海建工园林集团合作完成。整桥全长66.8米,其中3D打印部分桥长21.58米、最宽处8米、最高处2.68米,桥身蓝白相间,若轻盈灵动的丝带,又若漂浮天际的流云,集功能实用与工艺观赏为一体。


为什么要设计这样一座桥,这么长的桥是怎么打印出来的?近日,记者走访流云桥的设计制作团队,揭开其诞生之谜。


1设计灵感源于河流与丝绸


从驿马河公园5号停车场进入公园,沿着一条健身步道先向前行,再向右走。大约300米后,眼前呈现一片草坪和竹林环绕的“卧云泽”景观湖。湖的一角,横卧一道白色围栏、蓝色桥面的“V”字形桥,这就是流云桥。在低处平视湖面,天空和桥体在水中的倒影融为一体,恰似流云在天上飘动,很有立体感、流动感。


为何要在这里建这么一座桥?中建西南院景观院院长程锐介绍,主要有三点考虑。其一,驿马河公园西北侧为大运会主场馆(东安湖体育公园),桥建于此能让来自全世界的与会人员推窗就能看到,领略公园城市风光,展现科技力量。其二,经考察调研,驿马河公园二期南部主要为集中居住区和中央活动区,北部为商业和商住区,南北往来人员流量大,桥建于此能更好服务周边市民休憩。其三,随着驿马河公园开放,到此处玩耍的小孩越来越多,希望借此桥打造科普走廊,实现教育功能。


“2019年就提出了桥的构想,并由院里专家组牵头,与项目施工方一起对选址、建造条件等可行性进行了调查研究。”景观院四所所长张晓翔说,光是桥的设计就花了约半年时间。景观院总建筑师张静表示,设计的最大难点,是如何兼顾桥的功能性和美观性。作为景观桥,要实现“一桥一景”,经过多轮“头脑风暴”,设计思路逐渐清晰。


桥梁形态设计灵感来源于驿马河区域内自由奔腾的河流,欢快流淌的小溪似丝绸之路在面前展开。“线条流畅、灵动轻盈,是整座桥的外形特色。”景观院四所所长张晓翔介绍,流云桥一面桥梁扶手是一个峰两边平缓寓意“一山连两翼”;另一面桥梁扶手是两个峰一个谷,寓意“两山夹一城”。


同时,作为功能性桥梁,流云桥还需具备通行、照明等主要和辅助功能。“为了市民们晚上的步行安全,桥体添加了照明的辅助功能,届时的效果可以用浪漫来形容。”程锐说。


这也是全球最长高分子3D打印桥。张晓翔解释,高分子是指其使用的是高分子材料。在此前的3D打印桥中还有更长的,但使用的是混凝土、钢材、木材等,高分子材料的特别之处在于具有很大的形态和外观塑造空间,且表面更光滑,质感更好。


2“盖被子”防止材料变形


上海建工集团旗下的上海园林绿化建设公司,是国内3D打印领域“领头羊”,从2018年开始实施大型3D打印,曾整体打印全球首座高分子材料3D景观桥——上海普陀桃浦3D打印桥,以及当时全国最大的3D打印桥福建泉州3D打印桥,也是此座“流云桥”的施工方。


“形象地说,3D打印的过程就像是在做一笔画的蜡像雕塑。”上海园林绿化建设公司智慧建造中心主任龚明介绍,打印设备的喷头将流体状的材料一层层挤出叠加成型,最后再对每段打印构件进行拼接端面的加工。此次打印流云桥的设备和桃浦3D打印桥是同一套,但进行了技术迭代。


打印之前,先在电脑中数字设计建造桥模型。然后进行数据分析,特别是结构受力情况,先进行建模仿真分析再打印一段试样,进行检测,再返回修改模型、优化参数。龚明说,3D打印的几个核心控制因素是材料性能、加工工艺和环境温度。


流云桥的打印材料和其他3D打印桥的材料基本相同,主要是高分子材料,通俗讲就是一种做塑钢门窗用的工程塑料,还要再加入一定比例的玻璃纤维和改性添加剂以增强强度。同时需要装备的挤出系统进行对应的技术匹配,经过反复试验,最终确定流云桥的玻璃纤维的比例为20%,材料总计用了12吨。


要打印这么长的桥,但又不可能设计开发一套同样长的打印设备,于是采取分段打印的方式制作,将21.58米需要打印的构件分成了16段,分段打印好再进行拼接安装,也有利于装卸运输。


“虽然以前也打印过3D桥,但桃浦桥、泉州桥都是直来直去的。流云桥是弧形的,打印部分最大曲率15度,引桥部分(桥头连接湖岸处)曲率将近90度。”龚明说,这一方面对打印程序编写提出挑战,同时对打印的精细度、精准度提出了非常高的要求。如果打印出来的成品有一点点瑕疵,就可能造成后期无法完美拼接,为此他们对打印设备进行了反复调试和改造,同时专门开发了一套不等高打印的软件程序。

另一个挑战是,构件越大,打印时就越容易变形、翘曲,稳定性下降,甚至无法成型。他们又经过反复研发试验,将原打印设备的喷头研发换成了每小时能挤出20公斤原料的打印喷头,而此前的桃浦桥、泉州桥用的喷头每小时只能挤出8公斤或10公斤原料,既提升了打印效率,又确保了打印构件的成型稳定性。


此外,因为当时没有恒温车间,而打印施工期正逢开年前后,有几天温度很低。而最佳打印环境温度需要保持在30度至35度左右,这样打印构件才不容易变形。“想尽一切办法让热量流失得慢一点,我们尝试用被子将车间罩起来,开取暖器保温。”龚明说,同时,这一次实现了采用红外热成像设备实时监控打印构建温度场,进行闭环打印。如今,随着一系列技术的革新和新装备的研发,已经不需要盖被子保温了。


加班加点,打印团队仅用了35天就完成了桥体打印,整个过程一气呵成,实现了科技与艺术的完美融合。


3推动大型3D打印市场化


在对打印桥段拼接面加工完成后,大货车将材料运输到驿马河公园进行现场拼接装配。过程中,采用了三维激光点云扫射检测技术,以保证成型和拼接安装的精度。

站在流云桥上细看并用手触摸桥的扶手,可以发现3D打印部分和其他采用轻质航空材料制作的引桥部分,有细微的差别。打印部分有明显的“褶皱”,是打印过程中原材料不断堆积叠加挤压形成的;而引桥部分则是光滑的,这是因为引桥扶手是通过数字化设计后进行数控雕刻成型,再在其表面进行特种涂层处理。


为了提高桥梁的稳定性和通行的舒适度,在3D打印桥梁的下方增设了钢梁作为叠合支撑受力。桥面还预留孔位,便于通过埋设管道等方式进行排水和照明施工。


“流云桥最与众不同之处,在于它大大突破了传统桥梁的造型设计。”张晓翔说,传统的桥梁由石头、木材、混凝土等材料制作,形态多为直线或者微曲线,造型单一,没有太大变化,顶多在桥的外表做一些造型装饰。而3D打印技术给了更大的设计空间,可以大胆设计成曲线造型,突出美感。


这也对桥梁景观设计提出了更高要求。“如今不再单单从功能方面去设计一座桥,还要更多兼顾其审美价值,以及如何让其融入周边环境,实现人文、科普等关联功能。”在张晓翔看来,这需要不断更新设计理念,培养更多复合型设计人才。“我们将致力于开拓创新,以科技助力设计,在景观打造中尝试更多的新技术、新材料。”


“这是一次成功的探索。”龚明表示,将大型3D打印技术全面推向市场化,还面临资金、技术、人才等一系列挑战。一套大型3D打印设备,至少要花一两千万元,不少设备零部件需要从国外购买,后续希望政府加大相关设备制造支持力度,培育壮大国内相关设备制造能力。


目前,大型3D打印是一个智慧密集型行业。“超大型3D打印技术的研发,涉及装备、电气、工艺、软件、材料等等专业,我们公司博士硕士一大把,我们需要进一步突破技术,开发出更便捷装备、更便宜低价,环保低碳打印材料,让普通技术人员也能参与产品设计和设备操作。”龚明说。


经过一段时间的探索,上海建工集团发现,建设恒温车间投入巨大,且不利于灵活生产。龚明表示,他们正探索通过技术革新和设备改良,不建恒温车间就能确保打印质量。下一步,他们还将通过研发新材料、回收利用废旧塑料、固碳技术等方式,实现更加低碳环保高效的3D打印生产,努力推动大型3D打印技术全面走向产业化、市场化。


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