由徐卫国教授领衔的清华大学（建筑学院）-中南置地数字建筑研究中心，发明了“机器臂自动砌筑系统”，与国际国内现有砌砖系统不同，首次把机器臂自动砌砖与3D打印砂浆结合在一起，形成全自动一体化智能建造系统；并在世界上首次把该系统运用于实际施工现场，建成一座“砖艺迷宫花园”。

花园鸟瞰图

砖艺迷宫

花园概览

自动砌筑系统改变了一般砌砖系统的抓砖方式、而是采取了由气泵控制的吸砖器吸砖的方法，可以用于砌筑富于变化排列的砖块砖墙而不至于碰撞；同时，砂浆打印可以更准确地将砂浆定位。

花园位置

砖艺迷宫花园位于冬奥砖艺小镇武家庄村（张家口市下花园定方水乡）；由于村内拥有乡域唯一的砖厂，近年来武家庄的改造建设大面积使用了红砖作为建筑及装饰材料，因而成为全张家口市闻名的砖艺小镇；迷宫花园位于武家庄村的村头三角地，该花园建成后，成为村民休闲聚集的场所。

迷宫花园位于武家庄村的村头三角地，该花园建成后，成为村民休闲聚集的场所

花园中种植的竹子与红砖墙相得益彰

设计概念

迷宫花园为一直径13米的圆形用地，圆内三条蜿蜒曲折的砖墙不仅在平面上形成复杂连续的褶皱空间，并且砖墙在竖直方向上也采用曲面形态，加之砖墙的砖块细部砌筑也凹凸变化，因而它成为空间及视觉的双重迷宫；三条砖墙沿圆边的外侧空间用于种植竹子及草皮，其内侧空间则是居民活动的场地，中国传统阴和阳的相生相对性在这里以复杂性呈现。

设计概念

俯瞰花园

形态生成

迷宫花园的设计借助于数字生成技术，首先在犀牛软件里生成曲面形体，其形似飘逸的绸带，同时对曲面进行形态的优化，确认其符合空间流线和人体尺度的基本要求。接着将这一基础曲面导入参数化软件grasshopper中进行分析并布置砖块，首先提取基础曲面在各个高度上的曲线，作为每一行砖的基准线；再在基准线上分出各个砖块的间隔；上下层的砖块之间错位排列；最后通过参考线控制砖块产生垂直于曲线的前后错位，以生成砖墙凹凸渐变的肌理。

形态生成过程 

砌筑路径

生成砖墙模型后，设计团队结合搭建方式设计出机械臂运动轨迹，并使用KUKA|PRC将其导出为机械臂可识别的程序语句。机械臂的运动动作包括用真空吸盘取砖、在指定位置放砖、翻转机械臂前端、根据砖块排布在砖面上打印砂浆等几个操作，运动轨迹命令中整合了机械臂对气泵等外部设备发出的控制指令，并经过避障设计。在程序中模拟后，由PRC导出程序用于机械臂执行，实现从数字模型到实际建造物的精确转化。

花园立面

自动砌筑系统生成的砖墙

砌筑模拟

该花园有两台机器臂同时工作进行砌筑，一台机器臂为KUKA KR210，臂长2.7米；另一台为KUKA KR120，臂长3.9米；为了更高效地发挥机器臂的工作效率，同时也为了避免机器臂工作时产生碰撞，首先对机器臂的工作位置进行了施工组织设计。整个花园使用这两台机器臂砌筑需要移动7次，对每个工作位的机器臂工作可以通过KUKA|PRC软件进行模拟。

砌筑模拟 

破坏试验

在试验阶段，还进行了砖墙破坏试验，验证其满足砖墙设计及施工规范。本墙体工程根据环境温度使用了不同类型的砂浆，其流动性和早强时间可满足3D打印成型方式的需求，并可满足冬季和夏季施工时的不同需求。砂浆使用了425#水泥，水灰比约为0.7，强度可达45MPa。在足期养护后，用沙袋进行了破坏冲击实验，强度满足花园使用要求。

破坏实验 

实际建造

实际建造过程包括施工放线、基础施工、墙体砌筑、绿化种植、以及地面铺装等阶段。施工放线使用了全站仪；基础施工时，用机器臂热线切割泡沫填充曲墙外侧绿化用地，该泡沫同时作为外模，花园的砖墙底部及活动场所采用了钢筋混凝土基础底板（板厚30公分）。“机器臂自动砌筑系统”用于墙体的砌筑时至少需要两位工作人员，其中一位进行该系统的操作，另一位负责传递砂浆及砖块；机器臂的移动采用了叉车定位搬动，每次搬动后需要进行机器臂定位校准，以保证施工精度。墙体完工后，去除砖墙外侧地面的泡沫并填充种植土，进行竹子及草皮种植；同时进行花园砖墙内测活动场地的地面铺砌。

施工现场

世界上第一座“智能建造”的花园

清华大学（建筑学院）-中南置地数字建筑联合研究中心
研发小组成员：徐卫国，高远，张志龄，孙晨炜，韩冬，林志鹏，罗丹，孙仕轩，程瑜飞