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流云桥全貌。 四川日报全媒体记者 王代强 摄 “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。 |
