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吉尼斯世界紀(jì)錄一直倡導(dǎo)以創(chuàng)造世界紀(jì)錄的方式激發(fā)人們的探索欲，并鼓勵(lì)人們用一顆對(duì)新事物、對(duì)不確定性充滿包容的心靈，在未知中去期待、探索和發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)造無限可能。2020年7月21日，坐落于河北工業(yè)大學(xué)的裝配式混凝土3D打印趙州橋，正式獲得“最長(zhǎng)的3D打印橋”吉尼斯世界紀(jì)錄™稱號(hào)。這座由河北工業(yè)大學(xué)馬國偉教授團(tuán)隊(duì)共同建造的3D打印橋梁，全長(zhǎng)28.15米、凈跨度17.94米，受到業(yè)內(nèi)外關(guān)注。
“將經(jīng)歷千年的趙州橋與現(xiàn)代化的3D打印相結(jié)合，建造一座裝配式3D打印趙州橋，是對(duì)建造科技的傳承和弘揚(yáng)，也是對(duì)河北傳統(tǒng)文化的認(rèn)同和回歸。這個(gè)步行橋的成功落成，可以推進(jìn)智能建造關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，對(duì)我國建筑現(xiàn)代化的進(jìn)程也具有重要意義。” 河北工業(yè)大學(xué)馬國偉教授說。
以3D打印技術(shù)再造一座趙州橋，從設(shè)計(jì)到落地，過程曲折而又艱難。2017年下半年，河北工業(yè)大學(xué)3D打印橋項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)正式組建，經(jīng)過選題、反復(fù)論證，項(xiàng)目正式啟動(dòng)已是2018年初，而整個(gè)橋梁完全建成則需要等到2019年9月30日。
一座全長(zhǎng)不到30米的小橋，何以需要這么長(zhǎng)的時(shí)間來“打印”?“最根本的原因，還是沒有先例可循。無論是監(jiān)管層面的設(shè)計(jì)規(guī)范和建設(shè)流程要求，還是橋梁設(shè)計(jì)施工本身，行業(yè)內(nèi)并無既有的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)或范例供我們參考，一切都需要團(tuán)隊(duì)從頭做起，確切地說是在未知中去摸索。” 作為項(xiàng)目統(tǒng)籌的河北工業(yè)大學(xué)王里博士說道。
“從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)開始，我們就遇到了很大的挑戰(zhàn)。事實(shí)上，僅設(shè)計(jì)方案，我們就更改了很多次。”王里介紹說。理論上講，如果打印機(jī)足夠大，那么整個(gè)橋梁有可能會(huì)被完整打印出來。但我們團(tuán)隊(duì)主打的理念是面向裝配式建筑的3D打印智能建造，將整個(gè)橋梁分割成多個(gè)模塊，分別制作。這時(shí)，學(xué)科交叉帶來的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來了，極大程度上推動(dòng)了項(xiàng)目的進(jìn)展。
隨著3D打印橋項(xiàng)目的推進(jìn)，更多挑戰(zhàn)隨之浮出水面。而這時(shí)，傳統(tǒng)造橋智慧的到援，最終使3D打印橋挺起脊梁，橫跨河上。既然是以趙州橋?yàn)樵蛠硇陆蛄�，團(tuán)隊(duì)就必需先了解“母版”-- 土木建筑史上的豐碑趙州橋。作為缺少橋梁專業(yè)背景的團(tuán)隊(duì)而言，如有一位精通趙州橋前世今生的“老師傅”能前來指導(dǎo)一二就太有裨益了。這時(shí)，工程勘察設(shè)計(jì)大師王長(zhǎng)科的到來為整個(gè)團(tuán)隊(duì)打開了一扇窗。
王長(zhǎng)科是研究趙州橋的國學(xué)大師，曾對(duì)趙州橋做過非常系統(tǒng)的研究，并有相關(guān)著作論述。而其對(duì)趙州橋使用的力學(xué)原理，橋梁自身的工程概況、工程結(jié)構(gòu)、受力分析、技術(shù)措施和建筑美學(xué)、建筑文化的了解正是3D打印橋團(tuán)隊(duì)所需要的。“王長(zhǎng)科老師相當(dāng)于我們的文化顧問，對(duì)于團(tuán)隊(duì)從整體了解趙州橋、進(jìn)行3D打印橋的設(shè)計(jì)構(gòu)想，提供了前置性指導(dǎo)意見和可靠的參考。”王里說。
而在施工裝配階段，更大的困難卻是橋拱的裝配。傳統(tǒng)的做法是，抽干河水、搭建腳手架、依次施工，完成橋拱、橋身的搭建。但此次3D打印橋不同，它的橋拱被分成三大模塊，需要一次性精準(zhǔn)地吊裝完成。
另一位工程勘察設(shè)計(jì)大師的指導(dǎo)，讓這個(gè)問題迎刃而解。在海河綜合開發(fā)改造工程中，主持設(shè)計(jì)和施工完成了多座創(chuàng)新型橋梁的韓振勇大師，提出了“體外拉索預(yù)應(yīng)力”這一方法。所謂“體外拉索預(yù)應(yīng)力”，就是將橋拱三大模塊預(yù)先拼裝，相當(dāng)于弓箭的弓，“弓”兩端的線也就是拉索，相當(dāng)于弓弦;而吊裝的時(shí)候，拉索會(huì)被拉緊，以控制橋拱結(jié)構(gòu)、調(diào)整誤差，等調(diào)整完畢，拉索放開，橋拱一次性裝配完成。
除了橋梁技術(shù)，3D打印材料的選用，也是團(tuán)隊(duì)需直面的一大挑戰(zhàn)。由于對(duì)通用水泥在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用缺少經(jīng)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)在尋找材料方面也頗費(fèi)了一番周折。“為了確保萬無一失，我們找到了西北地區(qū)最大的特種水泥集團(tuán)堯柏集團(tuán)的白明科總工程師，為我們這座橋梁定制化地研發(fā)了水泥。當(dāng)時(shí)，我們帶領(lǐng)7名研究生生，在水泥廠的研發(fā)實(shí)驗(yàn)室呆了2個(gè)月，和水泥廠總工程師就水泥顆粒度、礦物質(zhì)成分、水泥特性進(jìn)行了反復(fù)地討論、驗(yàn)證。畢竟，3D打印的橋梁，是沒有傳統(tǒng)橋梁所使用的鋼筋做模板的，有開裂的風(fēng)險(xiǎn)，而高質(zhì)量的材料就尤為重要。”王里說。
數(shù)千年的造橋史，數(shù)代造橋人薪火相傳，沉淀了厚重的造橋智慧。而對(duì)多元學(xué)科、新技術(shù)的包容，則使造橋這門古老的工藝突破以往界限，有了新的可能。3D打印趙州橋的故事，給出了一個(gè)驚艷的樣板。
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