中国で初となる「3Dプリント公園」!!

AICTが手がけた先進テクノロジーを統合した建設モデルの有用性を示す〈宝安3Dプリントパーク〉

CULTURE2022.08.24

©︎ RICtechnology

〈宝安3Dプリントパーク（Baoan 3D printing park）〉は、中国で初となる3Dプリントされた公園です。先進テクノロジーを統合した新たな建設モデルの実証もかねて建設されました。

3Dプリントなどの高度なロボット工学、人工知能、高性能素材、パラメトリックデザインといった先進テクノロジーを活用し、設計から施工までのフルサービスを提供する建設企業AICT（Advanced Intelligent Construction Technology）が手がけました。

（以下、AICTから提供されたプレスキットのテキストの抄訳）

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革新的な都市建設に向けた新たなテクノロジー

デジタル建築設計とロボットの自動制御をベースに、3Dプリントと特殊なコンクリート材料を組み合わせた「ロボット3Dプリントコンクリート建設技術」は、革新的な住宅や環境をつくり出す新たな建設技術である。

これはAICTと清華大学建築学部の徐偉国（Xu Weiguo）教授、同大学深圳国際研究院の未来居住研究所という学際的なチームにより独自に開発されたテクノロジーである。この「ロボット3Dプリントコンクリート建設技術」の工業化に向けて、深圳市宝安区にある世界最大の3Dプリンタを活用した公園の設計・施工に適用した。

このテクノロジーは、農村部の住宅やケニアの低所得家庭向け住宅、ペデストリアンブリッジ、ブックハウスなどにも活用されている。

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またこのテクノロジーには、設計、シミュレーション、施工におけるさまざまなプロセスが含まれている。

アルゴリズム生成やデジタルモデリングによる設計から、プリント経路の計画、プリントプログラムのコーディング、バーチャル施工シミュレーションを行い、現場でのプリントとオフサイトでのプレファブプリントおよび組み立てといった施工プロセスを含む、複合的な施工技術である。

このように、バーチャルとフィジカルな領域を含む、建築やランドスケープ建設の全プロセスをデジタル的に統合している。その結果、継続的にデジタル情報と材料の流れを補完した、統合されたインテリジェントな建設プロセスが形成されている。

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このテクノロジーはここまで見てきたように、アルゴリズム生成による建築設計、プリント経路の計画および制御ソフトウェアの開発、ロボットとの統合製造、プリント材料の混合生産、建築のデジタル施工など、さまざまな分野に関与している。

この取り組みにより、従来の住宅建設産業をアップグレードするだけでなく、新たなデジタル建設産業チェーンが形成される。そして産業チェーンのすべてのリンクは、また新たな産業を生み出すだろう。

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本技術の優位性は多岐に渡る。

人手不足の解消 – ロボットやロボットアームなどの知能機械が人手を代替することで、人手不足と人件費の高騰という問題の解決に貢献する。

効率化 – コンピュータ内で行われるバーチャルな建設プロセスは、実際のフィジカルな建設の精度を大幅に向上させ、あらゆる無駄や手直しを避けることができる。また、知能機械ははるかに長い時間連続で作業できるため、工期を短縮することができる。

コストダウン – 直接投資、工数削減、サイクル短縮、無駄の排除により、従来のプロジェクトと比べ、コストを10〜20%削減することができる。

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品質の確保 – インテリジェントシステムおよび設備の採用により、施工精度が大幅に向上するため、施工品質が確保されている。

環境と生態系の保護 – 建設プロセスの合理的な構築と計画により、環境汚染を発生させない。プリント材料は環境に優しく、リサイクル可能で、このプロセスにおけるエネルギー保存と環境保護を保証する。

新たなイメージの創造 – アルゴリズムに基づくデジタル設計と移動可能なロボットアームの応用により、伝統的な建築形式だけでなく、あらゆる種類の豊かな有機的な建築形式を構築することができる。

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国内外のさまざまな機関や企業の類似技術を調査・比較した結果、AICTのロボット3Dプリントコンクリート建設技術は現在、世界をリードしていることがわかった。

その理由としてまず、小型のプリント装置による低コストや運搬、保守の容易さが挙げられる。

そしてこのプリント装置は強い適応能力を持ち、空間内で柔軟に動くことができ、さまざまな形状、種類のオブジェクトプリントすることができる。これは低層の建物から、プレファブの建築部品、ランドスケープの造成およびさまざまなプロダクトにまで至る。

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また、オープンソフトウェアシステムとすることにより、内蔵するソフトウェアプラットフォーム上に新たな設計・操作モジュールを追加することができる。

ロボットアームにおいては、ボディを他のタイプのものに換装することができる。これにより、切断、磨き、吹きかけ等のように作業に合わせて取り替えることができるのである。

AICTのチームとプロダクトは、2021年世界建築祭WAFC優秀デザイン賞など、数々の賞を獲得している。

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国家の建設産業発展戦略に符合するテクノロジー

2020年7月、中国の住宅都市農村開発部など13部門が共同で「インテリジェント建設と建築工業化の協調的発展促進に関する指導意見書」を発表した。

これはデジタル化とインテリジェント化を推進力とし、建築の工業化を大きく発展させることを提唱している。

エンジニアリング建設のあらゆる面でインテリジェント建設の応用を拡大し、科学研究、設計、生産加工、建設組立、運営を網羅する総合的な産業チェーン全体を形成するべき、と指摘したものである。

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インテリジェント建設は、建設業界の労働力減少の危機を和らげることができる。

国家統計局が2021年4月30日に発表した「2020年移民労働者監視調査報告」によると、移民労働者の総数が減少し、人口の流動域もさらに縮小した。来年からの10年間は毎年1000万人ずつ減少し、10年後には1億人の出稼ぎ労働者が誕生すると予測されている。

しかし、まだ大量の住宅やインフラの建設が必要であり、この危機を回避するためには、労働者をロボットに置き換えるインテリジェント建設が不可欠である。そして、インテリジェント建設は労働者を重労働から解放し、真の社会正義を実現することができる。

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新たな建設モデル

〈宝安3Dプリントパーク〉は、宝安会議展覧センター17号館の前に位置し、5,523.30m²の敷地面積に対し、4セットのロボットプリンタ設備が設置され、設計から竣工まで3ヶ月で完成した。

このプロジェクトの実施により、新たな都市環境の建設モデルが生まれた。

左から順に「利用者行動シミュレーション」、「アルゴリズム生成計画・設計」、「バーチャルパーク3Dモデリング」、「リアル3Dプリント経路計画」、「ロボットプリント機器導入・調整」、「現場・プレファブプリント」・「ランドスケープオブジェクトの現場プリント」、「オブジェクトの設置・緑化」

この図が示すように〈宝安3Dプリントパーク〉の建設は、ユーザーの行動シミュレーションから始まり、Grasshopperのプラグイン「QUELEA」の粒子群最適化アルゴリズムのサポートを得て、敷地内の群集活動の未来のルールをシミュレートしている。

〈宝安3Dプリントパーク（Baoan 3D printing park）〉

これをもとに構築した公園の仮想三次元モデルから、公園の物理的な3Dプリント経路を計画した。つまり、三次元モデルをロボットアームの動作経路とその動作コードに変換したのである。その後、プリンタの設置・設定を行う。

そして、現場でのプリントとプレファブ・プリントおよび組み立てを組み合わせ、すべての庭園ランドスケープオブジェクトを構築した。

これらのオブジェクトは約3日間の自然養生後に設置ができる。最後に設計に従い緑地を仕上げ、公園全体の建設が完了となる。

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3Dプリントパークのデザインコンセプト

自然とテクノロジーを融合させた、中国で初の3Dプリントパークは、「谷間の清流」をデザインコンセプトに、曲がりくねった通路と自然の起伏を生かした地形が融合した、谷間を流れる清らかな泉をイメージしている。

鮮やかで柔軟な造園と、水平に伸びる地形が有機的に組み合わされ、ユニークな自然空間をつくり出している。

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公園内の3Dプリントされた風景はすべて「水」というオリジナルのデザインコンセプトに基づいており、曲面の構築におけるロボット3Dプリント技術の優位性を際立たせている。

例えば、会場の北側には生命力と幸運を象徴するクローバーが開き、健康、真実の愛、名声の願いを体現している。会場の南端では、流れが渦を形成し、中央には深圳を象徴するルツボが開き、四方からの訪問者を迎えている。

花壇と擁壁の形状は、水の流れの柔軟な曲線と一体化して、グローバルな海洋センター都市建設という深圳の将来のビジョンと呼応している。

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ランドスケープオブジェクトと造園

さまざまなオブジェクトのうち、「パイプギャラリーパビリオン」は宝安パイプ通路プロジェクトのディスプレイとして、地下のパイプ通路の形状をデフォルメした形状とし、表現豊かな芸術性を示している。

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他にも幸運を意味する「クローバー」、深圳の花「シャクナゲ」、旧字体の「宝安」をモチーフとしたテーマ別の彫刻も配置されている。

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公園の西岸と東岸に設置された2つの大型花壇ベンチや、湾曲した有機的な2つベンチで来場者は足を休めることもできる。

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3Dプリントしたパターンにアスファルトを敷き詰めたものや、コンピュータによる幾何学アルゴリズムにより生成されたグリッドに芝生を生やしたもの、公園のメイン道路には川の模様を模し複数のロボットアームにより現場でプリントしたものなど、3Dプリントを活用した舗装を採用した。

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擁壁などの壁面には波打つテクスチャを採用し、装飾的な効果を付加している。

また、色や模様が変化するカラープリントを施したフラワーボックスも設置した。これらはロボットアームにより一度にプリントされ、1個あたり平均2時間弱で完成する。

以下、AICTのリリース（英文）です。

Robotic 3D Printed Concrete Construction – A New Technology for Intelligent City Construction

Based on digital building design and robot automatic control system, the robotic 3D printed concrete construction technology combines 3D printing technology with special concrete material, and it is an intelligent construction technology for innovative house and environment. As the scientific payoffs of AICT, it is independently developed by the interdisciplinary team of Professor Xu Weiguo from the School of Architecture and Shenzhen International Institute of Future Human Habitats. It is currently being industrialized and applied for the first time in the world’s largest 3D printed concrete green park in Baoan District of Shenzhen. So far, this technology can be used to built new rural housing, Kenyan economic housing, pedestrian bridges, book houses and other projects.

Interdisciplinary integrated intelligent construction industry technology
It is an intelligent construction technology, whose construction process includes algorithm generation creative design, digital form modeling, printing path planning, printing program coding, virtual printing construction simulation, on-site in-situ printing, or on-site prefabricated printing and assembly; It digitally integrates the whole process of house or landscape construction, and divides it into virtual construction and physical printing construction. The continuous digital information flow and material construction flow during this process complement each other, forming an integrated intelligent construction process. The technology involves different industries, including the creative design of buildings based on algorithm generation; Development of path planning and control software; Integrated manufacturing of robots and printing equipment; Mixed production of printing materials; Digital construction sites of building construction, etc. Its promotion will not only upgrade the traditional housing construction industry, but also form a new digital construction industry chain; All links in the industrial chain will produce new industries.

Advantages of this technology
1. Economize on manpower-intelligent machines such as robots or robotic arms replace manual labor, which will contribute to solving the problem of labor shortage and the rapid increase in labor prices;
2. Improve efficiency-the virtual construction process in the computer, has greatly improved the actual physical construction accuracy, which can avoid all kinds of unnecessary waste and rework; Besides, the intelligent robot can work continuously with much longer time, which will shorten the construction period;
3. Reduce the cost-In terms of the direct investment, the reduction of manpower, shortening of the cycle, and avoiding of waste make its project cost reduce by 10-20% compared with the traditional project cost;
4. Assure quality-The use of intelligent systems and intelligent equipment has greatly improved its construction accuracy, thereby ensuring the construction quality;
5. Protect environment and ecology- the effective and reasonable organization and planning of the construction process didn’t produce pollution; The printing material is environmentally friendly and recyclable, ensuring energy conservation and environmental protection in this process;
6. Create a new image-the digital design based on algorithms and the application of space-movable intelligent robotic arms can not only build traditional architectural forms, but also build all kinds of rich organic architectural forms.

The technology is currently the world leader
Through the investigation and comparison of similar technologies in different institutions and enterprises at home and abroad, it can be known that AICT’s robotic 3D printing concrete construction technology is currently the world leader. The advantages of its technology are: 1. The printing equipment is small in size and low in cost, convenient to transport, easy to maintain and promote; 2. The printing equipment has strong adaptability, can move flexibly in space, and can print target objects of various forms; 3. It can print different kinds of products, including low-rise buildings, prefabricated building components, garden sketches and environmental accessories; 4. With open software system, and can add new design or operation modules on the built-in software platform; 5. The body of the intelligent robotic arm can be replaced with other equipment for intelligent construction or processing of other types of work, such as cutting, polishing, spraying, etc.

AICT Team and its products have won a series of awards, such as the 2021 World Architecture Festival WAFC Outstanding Design Award; The Fifth National Decorative Concrete Competition Landscape Category Gold Award in 2020; the Gold Award of WAN “Best Technology Application Award” at the World Architecture News Awards in 2019; International Architizer A+ Award Technology Application Award in 2019; “Excellence Award in Landscape/Structure and Installation Group” of International Architecture Masterprize in 2019; The first prize in the design of the 1st National Concrete 3D Printing Innovation Competition in 2019; The second prize of “Innovation Pioneer Award” in the 2018 Additive Manufacturing Global Innovation Competition; the ROB|ARCH “Technology Application Award” of the World Robot Construction Association in 2018, etc.

This technology accords with the national construction industry development strategy
In July 2020, thirteen departments including the Ministry of Housing and Urban-Rural Development jointly issued the “Guiding Opinions on Promoting the Coordinated Development of Intelligent Construction and Building Industrialization”. It advocates to greatly develop construction industrialization, take digitization and intelligence as the driving force, positively apply engineering construction in all aspects of to form an intelligent construction industry system that covers the integration of the entire industrial chain including scientific research, design, production and processing, construction and assembly, and operation.
Intelligent construction can relieve the crisis of labor force reduction in construction industry. According to the “2020 Migrant Workers Monitoring Survey Report” issued by the National Bureau of Statistics on April 30, 2021, the total number of migrant workers has decreased and the flow range has been further reduced. It is predicted that the number of migrant workers will reduce by 10 million every year in the ten years from next year, reaching 100 million in ten years. However, there are still a large number of houses and infrastructure need to be built. To avoid this crisis, it is imperative to replace workers by robots in intelligent construction. At the same time, intelligent construction can liberate workers from heavy physical labor, thereby realizing true social justice.

Introduction to the Construction of Robot 3D Printing Park in Baoan Convention and Exhibition Center
The 3D printing park of Baoan Convention and Exhibition Center is located in front of Hall 17, with a land area of 5523.3 square meters. Its construction applied 4 sets of robot printing equipment. It took 3 months from design to completion. The implementation of the project created a new city Environmental construction model.

New construction model
User behavior simulation-algorithm generation planning and design-virtual park 3D modeling-park real 3D printing path planning-robot printing equipment entry and adjustment-on-site prefabricated printing and in-situ printing of landscape objects-physical installation and greening.

As shown in Figure 4, the construction of Baoan 3D printing park originates from user behavior simulation, and draws support from the particle swarm optimization algorithm of GH’s plug-in QUELEA, to simulate the future rules of crowd activities in the site; And then, the prototype of the park’s master plan is generated through analyzing the popularity of the flow of people and the singular attractor algorithm (Figure 5.); Build a virtual three-dimensional model of the park on this basis; Based on the three-dimensional model, planning the park physical 3D printing path, that is, converting the three-dimensional model into the route of the robot arm movement and its operation code; After that, installing and setting the printing equipment entry; And in-situ printing and pre-printing assembly are combined to construct all garden landscape objects (Figure 6.); It can be installed after natural curing for about 3 days; Finally, planting green area according to the design concept to complete the construction of the entire park.

Park design concept
The design of the park combines nature and technology to create the country’s first 3D printed concrete green garden. Taking “clear stream in the valley” as design concept, the park has winding road and the natural undulating terrain, which blended together to simulate the clear spring flowing between the valleys. The vivid and flexible garden sketches and horizontally extended terrain are organically combined to create a unique natural space. All 3D printed landscape sketches in the park are based on the original design concept of “water”, highlighting the advantages of robot 3D printing technology in the construction of curved surfaces. For example, a clover symbolizing vitality and luck opens on the north side of the venue, which embodies the wishes of health, true love and reputation (Figure 9); At the southern end of the site, the stream forms a whirlpool, and there is Le azalea symbolizing Shenzhen opening in the middle, welcoming visitors from all directions(Figure 10); The shapes of the flower bed seats and the retaining wall are integrated into the flexible curve of the water flow, echoing Shenzhen’s future vision of building a global ocean center city (Figure 11).

View of park environment ornaments and garden sketches

1. Pipe Gallery Pavilion
The shape of the pipe gallery pavilion derives from the original shape of the underground pipe gallery, displaying the Baoan pipe gallery project. Its final design shape has been abstracted and deformed to show expressive artistic characteristics. When printing, the entire pipe gallery is divided into 4 blocks (including the main body and the basic part), and each block is printed in an integrated manner with a large robotic arm, and then the process of hoisting, splicing and finishing is completed.

2. Themed sculpture
[Clover] The idea of sculpture form comes from the clover, which means lucky. In the further design, the active water is added to form a dynamic theme sculpture. The main body and base are completely constructed by the robot arm 3D printing, and the finish is processed in the end.

【Pengcheng flower】The prototype of the sculpture comes from Shenzhen Bougainvillea, also known as Sanjiaomei or Guangyezihua. It is so vital and vigorous, reflecting the infinite vitality and demeanor of Shenzhen. printing in blocks through the robot arm with three-dimensional printing, and then finishing it after installation.

[3D Printing Baoan Sculpture] Converting the primitive calligraphy “Baoan” into the motion trajectory of the robotic arm and printing it out, which presents an organic combination of culture and technology; Flower bed chair

3. Flower bed chair
Two sets of large-scale flower beds are located on the “West Bank of the River Valley” and “East Bank of the River Valley” in the park. They are 3D printed by robotic arms and turned 90 degrees and assembled on site, which can be used as flower beds for viewing and rest for visitors.

4. Curved independent seat
The curved, organic seats are assembled on-site by segmented 3D printing of robotic arms. There are two independent seats in the park, which are designed with polyurea and micro-cement.

5. 3D printed pattern paving cold asphalt pavement
Pre-printing different patterns in blocks, assembling, paving them on site, and paving cold asphalt into the patterns to form a new type of paving with twists and turns.

6. 3D printed grass-inlaid grid pavement
Adopting different geometric algorithms in the computer, and combining the shape of the road surface to design and generate the paving pattern. And then using the robotic arm to print the grid in blocks, transporting the grid to the site for assembly, and placing it in the blank space of the grid to plant grass.

7. 3D printing water mill concrete hot-melt circuit surface
Through multiple robotic arms in-situ printing, the main roads in the park are printed with simulated river patterns (curbstones and dividers), and then pouring concrete for polishing, and finally drawing hot melt lines on the printed strips.

8. Curved retaining wall
In the South Island and North Island, the curved slopes surrounding the theme sculptures were also assembled on-site by 3D printing in different parts. The curved slope not only serves as a retaining wall, but also is appreciative.

9. Wave wall
A wall with wavy texture is placed on the east of the park, which can be used as a retaining wall; It is 3D printed and assembled on site by a robotic arm. The boundary wall is also appreciative.

10. Color printing flower box
The flower boxes have different colors and different surface patterns. It is printed by a mechanical arm as a whole. It takes less than 2 hours to print a flower box on average. Various styles and different colors of accessories can be customized.

Digital design and 3D printing team: Xu Weiguo, Gao Yuan, Sun Chenwei, Wang Zhi, Cui Fang, He Yuting, Lin Zhipeng, Huang Shuyi, Yin Jidong, Zhuang Yuanxu, Zhang Zhiling, Mei Yue, Mao Yuxuan, Zhao Xiayu, Hu Hanyang, Han Bank, etc. (AICT School of Architecture & Wuxi Heqing Digital Building Technology Limited company)

Construction general contractor: China MCC20 Group Corp. Ltd
Landscape design: Sadie
Construction of landscape: Scenic area
Employer: Public Works Department of Shenzhen Baoan District