由徐衛(wèi)國(guó)教授領(lǐng)銜的清華大學(xué)（建筑學(xué)院）-中南置地?cái)?shù)字建筑研究中心，發(fā)明了“機(jī)器臂自動(dòng)砌筑系統(tǒng)”，與國(guó)際國(guó)內(nèi)現(xiàn)有砌磚系統(tǒng)不同，首次把機(jī)器臂自動(dòng)砌磚與3D打印砂漿結(jié)合在一起，形成全自動(dòng)一體化智能建造系統(tǒng)；并在世界上首次把該系統(tǒng)運(yùn)用于實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)，建成一座“磚藝迷宮花園”。

▼花園鳥瞰圖

▼磚藝迷宮

▼花園概覽

自動(dòng)砌筑系統(tǒng)改變了一般砌磚系統(tǒng)的抓磚方式、而是采取了由氣泵控制的吸磚器吸磚的方法，可以用于砌筑富于變化排列的磚塊磚墻而不至于碰撞；同時(shí)，砂漿打印可以更準(zhǔn)確地將砂漿定位。

▼自動(dòng)砌筑系統(tǒng)工作過程

花園位置

磚藝迷宮花園位于冬奧磚藝小鎮(zhèn)武家莊村（張家口市下花園定方水鄉(xiāng)）；由于村內(nèi)擁有鄉(xiāng)域唯一的磚廠，近年來(lái)武家莊的改造建設(shè)大面積使用了紅磚作為建筑及裝飾材料，因而成為全張家口市聞名的磚藝小鎮(zhèn)；迷宮花園位于武家莊村的村頭三角地，該花園建成后，成為村民休閑聚集的場(chǎng)所。

▼迷宮花園位于武家莊村的村頭三角地，該花園建成后，成為村民休閑聚集的場(chǎng)所

▼花園中種植的竹子與紅磚墻相得益彰

設(shè)計(jì)概念

迷宮花園為一直徑13米的圓形用地，圓內(nèi)三條蜿蜒曲折的磚墻不僅在平面上形成復(fù)雜連續(xù)的褶皺空間，并且磚墻在豎直方向上也采用曲面形態(tài)，加之磚墻的磚塊細(xì)部砌筑也凹凸變化，因而它成為空間及視覺的雙重迷宮；三條磚墻沿圓邊的外側(cè)空間用于種植竹子及草皮，其內(nèi)側(cè)空間則是居民活動(dòng)的場(chǎng)地，中國(guó)傳統(tǒng)陰和陽(yáng)的相生相對(duì)性在這里以復(fù)雜性呈現(xiàn)。

▼設(shè)計(jì)概念

▼俯瞰花園

形態(tài)生成

迷宮花園的設(shè)計(jì)借助于數(shù)字生成技術(shù)，首先在犀牛軟件里生成曲面形體，其形似飄逸的綢帶，同時(shí)對(duì)曲面進(jìn)行形態(tài)的優(yōu)化，確認(rèn)其符合空間流線和人體尺度的基本要求。接著將這一基礎(chǔ)曲面導(dǎo)入?yún)?shù)化軟件grasshopper中進(jìn)行分析并布置磚塊，首先提取基礎(chǔ)曲面在各個(gè)高度上的曲線，作為每一行磚的基準(zhǔn)線；再在基準(zhǔn)線上分出各個(gè)磚塊的間隔；上下層的磚塊之間錯(cuò)位排列；最后通過參考線控制磚塊產(chǎn)生垂直于曲線的前后錯(cuò)位，以生成磚墻凹凸?jié)u變的肌理。

▼形態(tài)生成過程

砌筑路徑

生成磚墻模型后，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)結(jié)合搭建方式設(shè)計(jì)出機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡，并使用KUKA|PRC將其導(dǎo)出為機(jī)械臂可識(shí)別的程序語(yǔ)句。機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作包括用真空吸盤取磚、在指定位置放磚、翻轉(zhuǎn)機(jī)械臂前端、根據(jù)磚塊排布在磚面上打印砂漿等幾個(gè)操作，運(yùn)動(dòng)軌跡命令中整合了機(jī)械臂對(duì)氣泵等外部設(shè)備發(fā)出的控制指令，并經(jīng)過避障設(shè)計(jì)。在程序中模擬后，由PRC導(dǎo)出程序用于機(jī)械臂執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)從數(shù)字模型到實(shí)際建造物的精確轉(zhuǎn)化。

▼花園立面

▼自動(dòng)砌筑系統(tǒng)生成的磚墻

砌筑模擬

該花園有兩臺(tái)機(jī)器臂同時(shí)工作進(jìn)行砌筑，一臺(tái)機(jī)器臂為KUKA KR210，臂長(zhǎng)2.7米；另一臺(tái)為KUKA KR120，臂長(zhǎng)3.9米；為了更高效地發(fā)揮機(jī)器臂的工作效率，同時(shí)也為了避免機(jī)器臂工作時(shí)產(chǎn)生碰撞，首先對(duì)機(jī)器臂的工作位置進(jìn)行了施工組織設(shè)計(jì)。整個(gè)花園使用這兩臺(tái)機(jī)器臂砌筑需要移動(dòng)7次，對(duì)每個(gè)工作位的機(jī)器臂工作可以通過KUKA|PRC軟件進(jìn)行模擬。

▼砌筑模擬

破壞試驗(yàn)

在試驗(yàn)階段，還進(jìn)行了磚墻破壞試驗(yàn)，驗(yàn)證其滿足磚墻設(shè)計(jì)及施工規(guī)范。本墻體工程根據(jù)環(huán)境溫度使用了不同類型的砂漿，其流動(dòng)性和早強(qiáng)時(shí)間可滿足3D打印成型方式的需求，并可滿足冬季和夏季施工時(shí)的不同需求。砂漿使用了425#水泥，水灰比約為0.7，強(qiáng)度可達(dá)45MPa。在足期養(yǎng)護(hù)后，用沙袋進(jìn)行了破壞沖擊實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)度滿足花園使用要求。

▼破壞實(shí)驗(yàn)

實(shí)際建造

實(shí)際建造過程包括施工放線、基礎(chǔ)施工、墻體砌筑、綠化種植、以及地面鋪裝等階段。施工放線使用了全站儀；基礎(chǔ)施工時(shí)，用機(jī)器臂熱線切割泡沫填充曲墻外側(cè)綠化用地，該泡沫同時(shí)作為外模，花園的磚墻底部及活動(dòng)場(chǎng)所采用了鋼筋混凝土基礎(chǔ)底板（板厚30公分）?！皺C(jī)器臂自動(dòng)砌筑系統(tǒng)”用于墻體的砌筑時(shí)至少需要兩位工作人員，其中一位進(jìn)行該系統(tǒng)的操作，另一位負(fù)責(zé)傳遞砂漿及磚塊；機(jī)器臂的移動(dòng)采用了叉車定位搬動(dòng)，每次搬動(dòng)后需要進(jìn)行機(jī)器臂定位校準(zhǔn)，以保證施工精度。墻體完工后，去除磚墻外側(cè)地面的泡沫并填充種植土，進(jìn)行竹子及草皮種植；同時(shí)進(jìn)行花園磚墻內(nèi)測(cè)活動(dòng)場(chǎng)地的地面鋪砌。

▼施工現(xiàn)場(chǎng)

▼世界上第一座“智能建造”的花園

清華大學(xué)（建筑學(xué)院）-中南置地?cái)?shù)字建筑聯(lián)合研究中心

研發(fā)小組成員：徐衛(wèi)國(guó)，高遠(yuǎn)，張志齡，孫晨煒，韓冬，林志鵬，羅丹，孫仕軒，程瑜飛