ギネス世界記録：多分野にわたるチームが3Dプリント技術を使って趙州橋を修復

出典: ファイナンシャル・レポート・ネットワーク

ギネスワールドレコーズは、常に世界記録の創出を通じて人々の探究心を刺激し、新しいことや不確実性に寛容な心で未知の世界への期待、探求、発見を促し、無限の可能性を創造することを提唱してきました。最近、ギネス世界記録は過去の受賞ストーリーを振り返り、整理しました。今号では、「世界最長の 3D プリント橋」としてギネス世界記録に認定された 3D プリント趙州橋のストーリーをお伝えします。

△世界最長の3Dプリント橋
2020年7月21日、河北工業大学にあるプレハブコンクリート3Dプリント趙州橋が正式に「最長の3Dプリント橋」としてギネス世界記録™の称号を獲得しました。河北工業大学の馬国偉教授のチームが建設したこの3Dプリント橋は、全長28.15メートル、有効スパン17.94メートルで、業界内外から注目を集めています。

1400年前、河北省趙県の南霄江を歩き回り、伝説の橋を彫る数千人の職人を監督していた李俊は、自分が苦労して作った趙州橋が数千年の時を経て、その3Dバージョンと「握手」することになるとは想像もしていなかったかもしれない。この優れた橋梁の専門家が決して予想していなかったのは、後継者が伝統的な職人ではなく、3Dプリント技術を習得したさまざまな分野の若者のグループになることだった。

△橋の東側からの眺め。熟練の職人が造った趙州橋とは異なり、3Dプリントされた趙州橋は「橋が分からない」若者たちが現代の知恵を絞って造ったもの。「橋を理解していない」ことは、この若いチームの探検への情熱を妨げるものではありませんでした。「無知」のおかげで、私たちは恐れを知らず、恐れを知らず、あらゆる川を受け入れ、境界を打ち破り、可能性を創造することができます。この精神は、ギネス世界記録のビジョンである「常に好奇心を持ち、答えを探し続け、心を開き、ベストを尽くせばすべては可能だと信じる」と一致しており、人々に世界を探検するインスピレーションを与えています。

私は橋を理解していないが、「橋」という質問の答えを見つけることにこだわる

「最長の3Dプリント橋」は、伝統的な土木技術者の作品ではなく、平均年齢25歳未満のさまざまな分野の「若い才能」のグループによってプリントされました。

「私たちは橋梁工学の分野出身ではないため、チームには潜在的な困難やリスクに関する専門知識が欠けており、それがその後の作業に課題をもたらしました。しかし別の観点から見ると、これにより私たちはより柔軟になり、大胆な仮定を立てることができるのです」と、プロジェクトコーディネーターを務める河北理工大学の王立博士は語った。

△橋の床板実は、河北工業大学の馬国偉教授のチームが3Dプリント技術を使って橋を「印刷」することを提案したとき、業界は楽観的ではありませんでした。これは、従来の橋梁建設自体が非常に専門的で複雑な理論的検証とエンジニアリングのプロセスを伴うためであり、高度な 3D プリント建設方法を使用して橋を建設し、橋梁専門チーム以外のチームによって実行されると、さらに困難で不確実性が高いためです。

しかし、河北理工大学のチームはそこで止まりませんでした。「私たちは、土木、機械、建築、芸術、コンピュータサイエンス、自動制御などの分野を統合し、総合的な専門能力を備えたインテリジェントな建設分野グループです。同時に、私たちの研究室は数年間3Dプリント技術の分野を探求しており、材料、建設、設備、プロセスの研究開発で多くの進歩と成果を上げています。そのため、チームには独自の利点があり、いくつかの新しい方向を探求する能力があると考えています。人力に大きく依存する業界として、建設も品質の一貫性を確保する方法や労働力不足に対処する方法など、いくつかの実際的な課題に直面しています。これらの問題は、実際には3Dプリント技術の助けを借りて解決する機会があります。そのため、実際の行動を通じて、3Dプリント技術が建設業界に実装され、建設業界の革新に貢献できることを検証したいと考えています。」と王立は述べた。

橋梁は土木工学の英知の粋を結集した分野として、チームに大きな関心を呼び起こしました。印刷方向を選ぶとき、世界的に有名な石造アーチ橋である趙州橋が誰の目にも浮かびます。趙州橋は、力学と美学の完璧な融合のモデルであり、橋梁の歴史における記念碑です。そして、この千年の歴史を持つ橋は、燕昭の地に位置しているため、河北省の文化遺産の象徴にもなっています。

「千年の歴史を持つ趙州橋と現代の3Dプリント技術を組み合わせ、組み立て式の3Dプリント趙州橋を建設することは、建設技術の継続と推進であると同時に、河北省の伝統文化の認識と回帰でもある。この歩道橋の完成が成功すれば、インテリジェント建設における主要技術の発展が促進されるだけでなく、わが国の建築の近代化プロセスにとっても大きな意義がある」と河北工科大学の馬国偉教授はインタビューで語った。

橋梁建設の専門職ではない橋梁建設者たちは、実践を通じて、橋梁建設には無限の可能性があることを先人や同僚、後継者に伝えています。

△河北工業大学の馬国偉教授チームが建設した3Dプリント橋は、全長28.15メートル、有効スパン17.94メートルです。
橋を架けるのは難しいが、寛容さがあればこそ成し遂げられる

3D プリント技術を使用して趙州橋を再建することは、設計から実装まで困難で困難なプロセスでした。 2017年後半、河北省理工大学の3Dプリント橋プロジェクトチームが正式に設立されました。テーマの選択と繰り返しのデモンストレーションを経て、プロジェクトは2018年初頭に正式に開始され、橋全体が完成するのは2019年9月30日です。

長さ 30 メートル未満の小さな橋を「印刷」するのになぜそんなに時間がかかるのでしょうか?

「最も根本的な理由は、従うべき前例がないことです。規制レベルの設計仕様や建設プロセスの要件であれ、橋の設計や建設自体であれ、業界には参照できる既存の仕様、基準、事例がありません。すべてにおいて、チームはゼロから始める必要があります。もっと正確に言えば、未知の世界の中で手探りで取り組む必要があります」と王立氏は語った。

従来の設計および製造プロセスには、通常、モジュール設計、3D プリント、アセンブリ構築などのリンクが含まれており、それぞれ異なるチームによって処理されます。設計チームはまずグラフィックデザインを行い、橋全体をさまざまな設計モジュールに分割し、モジュールを組み立てた後にプロジェクト全体の安全性能を検証します。3D プリントチームは設計チームによって図面が完成した後、3D プリント図面の完成を継続します。次に、3D プリント図面は指示に変換され、コンピュータープログラムが認識できる言語になり、その後の印刷と建設が容易になります。建設チームは、印刷されたモジュールを現場で組み立てて橋の建設を完了する必要があります。

△ 橋梁デッキの詳細「設計段階の最初から大きな課題に直面しました。実際、設計計画を何度も変更しました」と王立氏は語った。理論的には、プリンターが十分に大きければ、橋全体を丸ごと印刷できるはずです。しかし、私たちのチームの主なコンセプトは、プレハブ建築物の 3D プリントによるインテリジェントな建設であり、橋全体を複数のモジュールに分割し、個別に製造することです。

そこで質問なのですが、橋をどのように分割し、いくつのモジュールに分割し、各モジュールのサイズはどのくらいにするか、ということです。印刷設備、材料などのプロセス上の制限により、すべてのデザイングラフィックを印刷できるわけではありません。モジュールのデザインをどのように調整すればよいですか?同時に、印刷の精度を確保し、組み立てを容易にするために、材料特性、特に時間とともに変化するセメントの性能に合わせて印刷パラメータをどのように設定すればよいでしょうか。これらは、設計チーム、さらにはチーム全体が直面している問題です。

各モジュールの設計と計画の詳細の調整がすべて複雑な作業であることは容易に理解できます。特に、小さな変更ごとに周辺モジュールの調整や安全性能の再検証が必要となり、一連の作業全体を同期して調整する必要があります。

このとき、学際的な研究によってもたらされた利点が反映され、プロジェクトの進展が大きく促進されました。例えば、チームの学生の一人はデザインを学んでいましたが、数年間建築計画に携わっていたため、デザインと建築の仕事をうまく結びつけることができました。そのため、チーム全体がモジュール設計とその後の組み立て作業を統一した考え方で統合することができ、問題を事前に対処し、初期のモジュール設計段階から組み立ての問題を解決できるようになり、作業効率が大幅に向上しました。

さらに、橋の安全性能を監視するために、自動化のバックグラウンドを持つチームメンバーが橋のセンサーデバイスを設計しました。橋のさまざまな部分に多数のセンサーを設置し、24時間以内に温度、基礎沈下、水位が橋に与える影響を継続的に監視し、データをクラウドにアップロードします。

「学際的な作業は私たちに大きな利益をもたらしました。特に、学際的な経験を持つチームメンバーは、非常に重要な役割を果たすことがよくあります。彼らは、新しいテクノロジーの文脈で異なる技術カテゴリやチーム間のコミュニケーションをとる、別の種類の架け橋です。したがって、3Dプリントされた趙州橋の成功は技術の進歩によるものではなく、チームが学際的な作業に寛容で才能を尊重したおかげで、適切な時期、場所、人材を得ることができたと信じています」と王立氏は語った。

あらゆる方面からの知恵が新しい橋の建設に役立つ

3D プリント橋梁プロジェクトが進むにつれて、さらなる課題が浮上しました。この時、伝統的な橋の建設の知恵がようやく登場し、3Dプリントされた橋が立ち上がって川を渡ることができました。

新しい橋は趙州橋を基に建設されることになっていたため、チームはまず土木工学の歴史に残る記念碑である趙州橋という「マスターテンプレート」を理解する必要がありました。私たちのチームには橋梁工学の専門的な経験がないため、趙州橋の過去と現在に精通したベテランの先生に来ていただき、指導していただければ大変助かります。この時、工事調査・設計の達人である王長柯の到着により、チーム全体にとって新たな扉が開かれました。

王昌柯は趙州橋を研究した中国学の巨匠です。彼は趙州橋について非常に体系的な研究を行い、それに関する著作も執筆しています。趙州橋で使用されている機械原理、橋自体の工学的概要、工学的構造、力の分析、技術的対策、建築美学、建築文化に対する彼の理解は、まさに 3D プリント橋梁チームに必要なものです。「王長科先生は私たちの文化顧問に相当します。彼はチームに、趙州橋と3Dプリント橋の設計コンセプトの全体的な理解のために、先手を打った指導と信頼できる参考資料を提供してくれます」と王立氏は語った。

建設および組み立て段階において、最も困難なのは橋のアーチの組み立てです。従来の工法は、川の水を排水し、足場を組み、順に工事を進めて橋のアーチと橋体の建設を完了するというものでした。しかし、この 3D プリントされた橋は違います。アーチは 3 つのモジュールに分かれており、一度に正確に持ち上げて設置する必要があります。

この問題は、別の工学調査および設計のマスターの指導により簡単に解決されました。海河総合開発再建プロジェクトでは、数々の革新的な橋梁の設計と建設を指揮した韓振勇師が「体外ケーブルプレストレス」という方法を提案した。いわゆる「体外ケーブルプレストレス」とは、橋のアーチの3つの主要モジュールが事前に組み立てられており、弓矢の弓に相当します。「弓」の両端の線はケーブルであり、弓の弦に相当します。吊り上げ中にケーブルを締めて橋のアーチ構造を制御し、誤差を調整します。調整が完了すると、ケーブルが解放され、橋のアーチが一度に組み立てられます。

「耐震設計や水位上昇計算など、ハン師匠の解決策と設計チームへの指導は、チームの専門的な橋梁技術の欠点を補い、伝統的な橋梁建設の知恵と3Dプリント技術を融合する可能性を私たちに見せてくれました」と王立氏は語った。

橋梁技術に加えて、3D プリント材料の選択もチームが取り組むべき大きな課題です。 3D プリントの分野で一般的なセメントを応用した経験が不足していたため、チームは材料を見つけるのに苦労しました。「すべてがうまくいくように、私たちは中国西北最大の特殊セメントグループである耀北グループのチーフエンジニアである白明科氏を見つけ、私たちの橋のためにカスタマイズされたセメントを開発してもらいました。当時、私たちは7人の大学院生をセメント工場の研究開発実験室に2か月間滞在させ、セメント工場のチーフエンジニアとセメントの粒子サイズ、鉱物組成、セメント特性について繰り返し議論し、検証しました。結局のところ、3Dプリント橋には従来の橋のテンプレートとして使用される鉄筋がなく、ひび割れのリスクがあるため、高品質の材料が特に重要です。」と王立氏は述べた。

実際、今日の 3D プリント技術の発展により、一般的なセメントベースの複合材料も幅広い用途に利用できるようになりました。「今回使用したセメントは、結局はカスタマイズされたものです。既存のセメントから始めて、あるいはセメント材料のボトルネックを打破し、セメントをベースとしない高性能複合材料を開発し、3Dプリントへの応用を模索したいと考えています。これは私たちのチームにとって新しいテーマになりました」と王立氏は語った。

何千年にもわたる橋の建設の歴史は、何世代にもわたる橋の建設者たちによって代々受け継がれ、橋の建設に関する深い知恵を蓄積してきました。複数の分野と新しいテクノロジーを取り入れることで、橋を建設するという古代の技術は、これまでの限界を打ち破り、新たな可能性を生み出すことができました。 3D プリントされた趙州橋の物語は驚くべき例です。

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