全球最大的改性塑料3D打印建造體——南京歡樂谷主題樂園東大門，在2020年11月11日随着園區的正式開放，近期經過近半年驗收、運營和使用觀察，如今非常完美呈現我們在建築機器人打印建造技術領域的研發能力與實踐水平。

2020年是不尋常的一年，4月下旬開始，随着疫情的有效控制，該項目進入入口廣場與主大門的實施收官階段。設計團隊與建築機器人協作，全面颠覆了傳統意義上的設計到建造的流程，高效、精準地完成了超尺度、高維幾何建造體的改性塑料3D打印實施工作。獨特的定制化建造體不僅在形象上成為了南京歡樂谷的代表性标志，也完美組織整合了從前廣場到主題樂園的空間過渡。

疫情後的愉悅感

在疫情後的特殊時刻，沒有什麼比創造一個愉悅的空間更加重要。激發無比歡快的遊樂場氛圍，同時有效組織出入口檢票以及紀念品店的動線功能，這些需求都需要用一個整體式設計給出解決答案。

基于計算性幾何的多維雙曲面在多孔性穿透下得到無限擴展，三維空間的内外折疊增強了空間的連續性，曲面起止的綿延消弱了建築的邊界，入口空間呈現從各個方向接納遊客的歡迎姿态。大門整體采用整體鋼結構骨架找形，除屋面不可見的較為平整部分采用部分GRP材料外，其他彩色外表皮采用3D改性塑料外表皮打印的建構體系。

南京歡樂谷東側大門長52m，寬26m，投影面積1352㎡，曲面展開面積1950㎡。多維雙曲幾何體實現的異形不規則懸挑跨度長達30米，挑戰的不僅僅是設計難度，更是建造精度。占地18300㎡ 廣場成為大門的鋪墊與背景，超然愉悅的歡迎之門，為遊客開啟遊園體驗的新序章。

以流定形的場域

設計範圍不僅僅是東大門本身，還包含了整個園區的入口廣場及廣場地下室出入口的木構大門。方案設計初期，場地中需要統籌的要素頗多——從基地南側道路到兩大園區入口，從北側複雜建築界面到地下扶梯出入口，幾者共同帶來了場地中人群活動的随機性，産生了維度各異、強度不同的人流動線幹擾。

為解決該問題，需将人群視作場地中運動的粒子群，通過基于集群多代理系統的自組織粒子群算法對動線進行模拟，再将不同動線轉化為矢量要素，使整個廣場中的人群行為形成一個複雜的随機向量場。除人群活動外，場地的客觀環境中還存在着矢量方向場、漩渦場、點場、排斥力場、向心力場等多個場。

通過多代理系統，綜合場地客觀環境中場所形成的空間複合力場，可用來模拟複雜多變的實際環境。在模拟中，将場地的東、西入口以及廣場入口視作粒子運動的起始點，将複合力場模型視作真實空間的力場環境，并通過計算分析，得到複合力場對粒子運動軌迹的影響以及對粒子群空間分布的改變。

最終，在人群與場地關系的基礎之上，基于集群智能的模拟結果進一步針對模拟結果使用像素化幹擾的手段，将場與場之間的複雜關系轉化為廣場鋪裝的肌理層次，完成周邊大尺度繁雜空間的初步整理與組織。

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幾何拓撲與表皮共舞

除場地外，建築形體也需綜合多方因素進行統籌考慮。入口周邊人流動線複雜、活動種類繁多，如何在融入場地的同時，完成動線梳理并給予形态以标志性，使其幾何兼具功能與美學價值，是該項目的核心思想與最終目的。因入口底側有大量人群穿行通過，兩側有建築邊界向内擠壓，若以入口為正形空間，以底側人流與兩側建築為負形空間，該入口在圖底關系中并不會是規則的多邊形，而将成為漂浮在場地中的多維拓撲流形。

設計生形的智能性體現于建築師與計算機的協作之中，計算性幾何拓撲原型發生自數學曲面：a1*sin(x)*sin(2*y)*sin(3*z) a2*sin(2*x)*sin(y)*sin(3*z) a3*sin(2*x)*sin(3*y)*sin(z) a4*sin(3*x)*sin(y)*sin(2*z) a5*sin(x)*sin(3*y)*sin(2*z) a6*sin(3*x)*sin(2*y)*sin(z)=0

通過對輸入參數a1、a2、a3、a4、a5、a6的動态調節與最終的形态結果比對，最終生成滿足設計期待的拓撲幾何原型，建築師進而根據邊界條件、視線框景與空間的通達性需求對幾何原型進行衍化與操作叠代。

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基礎網格的形成将為建造形态的生成打下基礎。在得出大體形态後，随之而來的是從幾何參數出發生成符合邊界條件的網格劃分，其生成需要經曆幾個步驟：給定邊界（Boundary Input），面骨架化（Surface Skeletonization），骨架分解（Skeleton Subdivision）與網格細分（Mesh），最終得到實際建造可用的拓撲表面。

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基于重力場作用，初步形态還需進行結構性能的模拟，優化支撐點的位置，衡量視覺上的通達與力學上的穩定，形成最終的多點支撐體系。拓撲網格中的點特征與線特征往往與結構支承和受力情況相關，因此根據拓撲網格生成的幾何網格劃分，既符合建造形态，還可将結構體系一并納入網格劃分的參數系統中。

形體掩映中，局部探出的階梯引導遊客拾階而上，使遊客能在不同的高度體驗到拓撲幾何演繹下的空間多樣性，獲得豐富的建築體驗。在某個特定的角度，視線可穿過形體中的環洞到達園區軸線盡端的摩天輪，得到打破常規的幾何框景。在穿行中，來自各個方向的遊客都能在人與拓撲形體的關系中，得到超越幾何與空間的回應。

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走向大規模生産定制

走向建築機器人建造的大規模定制道路并不平坦。團隊對于改性塑料打印的研發始于2014年，從單一材料走向複合改性塑料，從單一構件計算走向全局有限元計算，從層級打印到空間打印，從實驗室探索走向工程大規模示範，一共經曆了6年時間。

期間，2016年我們在悉尼大學RobArch會議上最早發表空間拓撲打印的技術方法；2018年，在威尼斯建築雙年展中國館展示空間打印展亭；以及2020年完成南京歡樂谷的東大門。時間記錄了不僅僅是技術的進步，也記錄了從原型、藝術展品到大規模生産建造的全部曆程，所以，本項目具有重要的曆史價值與社會實踐價值。

在複雜幾何與智能建造背後，研發設計建造一體化以及軟硬件一體化技術平台也成為了我們逐步攀登的“喜馬拉雅”。基于參數化設計的拓撲幾何形體如何轉譯為可建造的模式語言？人機協作下的智能化建造如何在疫情的遠程背景下，确保建造過程的高效率、高精度、高質量？複雜環境下生成的多維幾何形體，亦對數字化語境下建造的技術性突破提出了要求。

整體設計與建造的流程是當代建築學與建造學的範式革新。團隊自主研發的FURobot軟件平台，是實現可建造模塊語言的轉譯的堅石。其中不但蘊含着建造要求下的幾何規劃、闆材劃分，更重要的是将建築幾何瞬時轉譯成建築機器人加工路徑規劃的能力。

團隊研發了複雜模型的局部幾何模型自适應反變形算法，将展開面積高達1950㎡的連續曲面轉譯為可供工廠打印預制的4000餘塊曲面闆材，并遠程生成打印路徑，最遠的設計者疫情期間遠在馬來西亞，雲端協力完成整個設計與機器人控制文件的生成。我們搭建的人機協作的橋梁，實現了設計師的創作情感與大規模定制化建造的有效融合。

像素化色彩

為契合歡樂谷遊園氛圍，6種深淺不一的紅色通過彩色像素化拼貼算法被賦予給不同的樣闆段。明亮的色彩極具标識性，在隐喻着歡樂谷豐富多彩的活動的同時，也抽象出了遊客在入口處的美好期待，以及其熱情的面貌歡迎各方來客。經過嚴謹的材料試驗，經過十年的抗老化材料性能試驗，團隊精準研發了戶外抗紫外線彩色改性塑料材料，可以實現256種色彩的精準參數化調色打印技術。

分析圖

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在幾何形态、多重顔色雙控下的複雜性，需要對打印成功率與精度具有高超的掌控力。在随幾何與色彩差異性的單元建模後，再運用自主研發的FURobot軟件對每塊單體進行可供機器識别與反饋的3D打印算法編程。每個闆塊單體均由大尺度3D改性塑料機器人在工廠完成預制3D打印，經過在工廠進行系統編号再運至現場進行模塊化複合安裝。

建造現場配合系統編号采用多象限、多目标的複合數控安裝技術，通過數控激光定位與掃描系統為每個3D打印外挂闆進行精準定位，同時實現上海設計辦公室對于現場工程進度的遠程實時監控。在疫情期間仍實現了高效率、高精度、高質量的項目建造水準。

現場交叉施工作業的複雜環境導緻的多維拓撲形體空間統籌具有極高的難度，搭建數字工地，全局形成智能感知與反饋系統，不但可以每天獲取建設數據，更重要的是為短工期的動态預測安裝精度與全局尺寸帶來保證。

數字工地的自主感知系統，确保了複雜多維拓撲形體的實現，數字化生形與建造相輔相成，入口大門和周邊要素相貫相融，通過尺度的變化與新穎的材料，使得遊客于空間的漸變中完成城市到主題樂園的心境轉化，将傳統的購票驗票流程轉變為開啟一段奇妙旅程的序章，極大地提升體驗者的參與感與喜悅感。

材料計算與機器人3D打印

歡樂谷大門項目作為全球規模和尺度最大的改性塑料3D打印建築實踐之一，其直面的是大尺度3D打印領域的一個根本問題：在尺度和精度上的雙重要求幾乎是超越了3D打印材料的物理性能極限的。該項目在全局優化和單元計算兩個層面上對這一問題進行了回應。在全局層面，基于3D打印形變預測模型的曲面細分優化算法保證了整體闆面劃分的合理性和精度水平。

針對改性塑料研發的精準的變形預測與反變形打印技術，實現了高效的材料性能的幾何計算；在單元層面，材料有限元計算助力下的複雜幾何和每塊打印闆完全不同的幾何特征，隻有通過建築機器人研發的打印路徑規劃工具，才能實現每個打印單元達到精度最佳的打印效果和加工目标。最終在南京華僑城東大門示範項目，在長度達到52m整體建築尺度下，全局表皮打印闆實現了亞厘米級的完成精度。

物性有形，建造無形。從某種意義上出發，“超越幾何”不僅是對傳統建造技術的超越，也是一次空間體驗的全面超越。疫情後的時代我們應追求的不僅僅是呼吸的安全與健康的社交方式，更應反思技術文化該以何種方式書寫，當熵增的物質生産在重複無效中燃盡了化石能源，帶來的可能僅僅是人本物求的無度；而創造愉悅與發現社會生産與文化記憶的縫隙，卻能填入我們理解的後人文時代新動力與新活力。在全球後疫情的時代中，或許唯有技術創新與文化融入才是在後人文背景下再拾信心重新起航的必由之路。

項目圖紙

底層平面圖

立面圖

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項目信息

建築設計：上海創盟國際建築設計有限公司

地址：南京，中國

項目年份：2020

覆蓋面積：1352㎡

主創建築師：袁烽，同濟大學建築與城規學院；

建築設計：上海創盟國際建築設計有限公司；

建築設計團隊成員：高偉哲，孔祥平，龍騰；

數字建造：上海一造建築智能工程有限公司；

數字建造團隊成員：韓力，張雯，張立名，王徐炜，陳哲文，于濤；

結構設計：謝億民工程科技有限公司

燈光設計：貝睿視覺藝術設計（上海）有限公司

發展商：華僑城華東投資&南京華僑城實業發展有限公司

攝影師：是然建築攝影，劉松恺

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