【睡前消息445】3d打印水电站，黄河变成绿电池
大家好，2022年6月14日星期二，欢迎收看第445期睡前消息，请静静介绍话题。
5月8日，香港《南华早报》报道了青藏高原上的黄河干流羊曲水电站项目。，中国正在利用人工智能和3D打印技术，建设180米高的水电站大坝。
督工，现在普通人能接触到的3D打印产品，基本上都是可以拿在手里的小东西，新闻上出现的最大3D打印产品也就是能住一家人的房屋。这个180米高的水电站大坝，是怎么“打印”出来的？
大家应该看过小型3d打印机制造小型雕塑的过程，和人类手工做雕塑的模式完全相反。人类造雕塑是在三维空间操作的，比如说造一个蹲在门口的狮子，需要先搞一块比雕塑大的材料，先凿出初步的立体轮廓，再根据设计图，把石狮子的头、身子、尾巴各个部位的细节雕出来，形成狮子外形。如果是用不同的小部件组装一个狮子，也是把狮子拆成不同的立体部件，头部、身体分别铸造，再拼到一起。
3d打印机和传统的工序不一样，既不关心初始材料的尺寸，也不关心狮子各个部分之间的立体关系。在建造之前，3d打印机先获得狮子的3d模型，把狮子的空间结构切片，变成一系列薄层平板的组合，每次喷射材料打印其中一层，组合起来就是一个狮子。喷头根本不知道自己在雕刻狮子还是老虎，只需要根据几何顺序，在指定位置喷射材料形成切片。
传统建筑建造和3d打印建筑，也存在类似的区别。
在3D打印技术出现之前，造房子的主要模式，是把水泥灌入一个特定的空间，和钢铁骨架结合。大家路过工地的时候，经常能看到工人把钢筋绑扎成各种形状，围上木头模板，再往模板里面倒混凝土。等水泥凝固，特定结构就形成了。
往模板里面倒混凝土，不是一个非常精确的过程，如果要在建筑里面设置一些复杂的细节，给每个房间提供更多的水电出口或者通风通道，往往需要等主体的钢筋混凝土结构做好之后，再到非承重结构上打洞开槽，这就是材料决定施工顺序。如果嫌弃这种手工操作精度不够，就要在专门的工厂定做精确的建筑构件，再拿到现场拼装。
3d打印建筑和打印雕塑差不多。打印机不关心工人造房子的时候会怎么设置模板，也不考虑哪些构件在功能上相同或者不同，只是把3d的房子简化成一系列平面切片，每次用一两种材料去形成一层切片，完全基于几何顺序叠加建造。如果需要在某个地方留一个复杂结构空间，就在打印切片的时候跳过去，直接形成空腔，不需要事后再让工人打洞。
现代建筑是由流体凝结的，这个特征很适合搞3d打印。由于每部分结构都是喷口在指定位置喷射形成，所以3d打印建筑的精度超过现场浇筑；同时打印机可以随便修改喷射图形，3d打印建筑的灵活性又超过了工厂制作的标准构件，可以直接形成各种复杂内部结构，节约后续安装管线的劳动力，理论上很有前途。
但是，在这次3D打印水坝之前，比较常见的3D打印建筑，主要是造房子和小桥。上海的公园能看到两座3d打印的桥，一座能活动，一座不会动，尺寸都是十米左右。
https://www.chinanews.com.cn/sh/2019/01-11/8726887.shtml https://baijiahao.baidu.com/s?id=1704531199889131789
桥在总体上只有一个方向比较长，也不需要让人在内部居住，是比较容易打印的结构。只要沿着长轴把桥的截面一层层喷射出来，就能直接用了，其他的建筑打印难度旧要大一些。现在世界各地的3d打印建筑尺寸都不大。投入使用的最大3D打印建筑物是迪拜的一座政府办公楼，只有9.5米高，建筑面积640平米。尺寸并没有明显超出上海的3d打印桥，甚至没有超出钢筋混凝土时代之前的砖木结构建筑。
3d建筑做不大，原因是打印机尺寸太小。从市面上的小型3d打印机就能发现，打印要保证精度，就必须用坚固的机器框架来控制喷口位置，而且最好是把喷口都设在机器框架内部。就算是机械手伸出框架喷射，扩大产品尺寸，机械臂也不可能伸太远，否则精度未必能超过现在的混凝土泵车。可以说，3d打印机的尺寸和结构强度限制了生产建筑的尺寸。
羊曲水电站电站修在黄河干流上，总装机容量120万千瓦，约相当于三峡水电站的二十分之一，大坝高度180米，相当于胡佛水坝的三分之二，虽然比中国著名水电站要小，但也明显超过普通的城市建筑了。如果把打印小型建筑的打印机直接放大来造羊曲水电站，我们需要造一个跨度和高度都超过200米的钢铁框架，再安装上百米长的喷射机械臂。
但是受地球重力和自身弹性影响，在几百米的尺度上，钢铁构件的物理特性已经很接近通常尺寸的橡胶甚至是面团了。浦东陆家嘴那些钢铁骨架大楼，起风的时候顶部位移可以超过一米。人类不可能造一个比水坝还大的超级机器，去精确打印羊曲水电站。现在新闻说“羊曲水电站”实现了3d打印，正确的说法，是用最新的IT和测量技术去应用3d打印原理，实现了依照几何位置铺设材料的增材生产工序。
我们可以用造船行业类比一下。过去造大船，是先铺设整条船的龙骨和受力骨架，然后在形成的框架上建造各个舱室，由不同系统的人进驻，安装复杂的设备，给已经安装的各种隔板开洞装管线。这意味着每艘船从铺龙骨开始，就要占用整个大型船坞，而且所有的管线设备都要从已经造好的受力框架上面放进去，工作面会相互干扰，船只建造过程非常漫长。
现在造复杂的大船，包括核潜艇、航母这种最复杂的船，基本上都是分段建造了，用截面拆分每一段船身，分别安装受力结构和各种舱室管线，最后吊装到一起，拼成一条船。建造每个分段的团队不用太担心工作面相互干扰，而且只在总装的时候占用才大型船坞，明显提高了造船效率。
造船从整体建造转向分段建造，是因为现代测量技术和机械加工技术都明显进步，能保证各个舱段和管线接口准确对接，而且现代焊接技术能保证整条船整体受力，所以切片造出来的船强度足够。这从原理上说也是把3d建造向2维的切片简化。
3d打印大坝利用了类似的原理，只是大坝的尺寸又比航空母舰大了几十倍。在现代电子技术支持下，每一台机器人都知道自己的位置，也知道其他机器人的位置，所以能在指定工作面的指定位置堆叠指定材料，用多种材料组成的二维薄片堆积出大坝的复杂三维结构。几百上千台施工机械被智能技术和现代通讯技术组合到一起，每一台设备都是精确定位的“打印喷口”，就可以看成一台超大规模的3d打印机。
中国有很多水电项目，为什么到了羊曲水电站忽然开始用3d打印模式呢？
这和羊曲水电站的规模、位置和建设时间都有一定关系。
羊曲水电站位于青海省海南州，是黄河上游三个规划梯级电站的最下一级。睡前消息第421期介绍雅砻江两河口水电站，提到了金沙江、雅砻江、大渡河流域的水电梯级开发。这些河段地处高山峡谷，水能丰富，同时航运价值低，所以应该连续修一组水坝，用尽整个河道的水电潜力。
421期我们提到，两河口水电站在西部山区，运输建筑材料的成本很高，所以没有从外面运水泥做混凝土坝，而是选择就地挖山，用土石材料建造大坝。羊曲水电站也有类似的困难，也打算就地取材建造堆石坝。堆石坝为了避免被内部水流冲垮，必须做好防渗，所以现代堆石坝基本都会用混凝土面板盖住面对水库的一侧。
混凝混凝土面板不怕承受压力，但是怕基础不牢。而大坝重力和水库的水压加起来，又很容易导致大坝下部沉降，削弱基础的承载力。一旦基础下沉，不能承受混凝土面板传下来的压力，混凝土面板就成了悬在空中的一道梁，下半部在自身拉力下破裂漏水。所以必须想个办法加强混凝土面板的基础。
羊曲水电站的解决方案是在大坝靠水库一面的底部“嵌入”一个小型混凝土坝，支撑上面的混凝土面板，大坝结构被称为镶嵌混凝土面板堆石坝。
镶嵌混凝土面板堆石坝剖面图
大坝内部有镶嵌结构，而每一层土石都要达到特定碾压需求，不同部位的混凝土技术要求也各不相同，所以羊曲水电站试用了3D打印的切片建造逻辑，在保证结构复杂性的前提下，节约大坝的建造成本。
填筑场数字地图和导航线路
421期介绍两河口项目的时候，我们提到施工方不相信人类操作员能做到万无一失，所以在堆石坝项目上大规模使用了无人碾压机，通过“计算机+联网传感器+卫星定位系统”监控碾压机行走轨迹、车速，保证上万遍重复碾压的质量。
羊曲水电站项目也大规模使用了无人设备和自动驾驶技术，把每一台机械都变成能精准放置材料的喷口。同时施工单位用切片逻辑分解了水库大坝，把整体填筑工程分解成一系列施工作业面，分配不同的填筑料种类和用量，规定了压实密度和其他工作数据。系统根据切片的工作面，给每一台工程机器人发送指令，调度机器人开展作业，做完一个面再做下一个面，直到无数个工作面堆成大坝3d结构。
这么说，其实我们并没有能喷出整个水电站的3D打印机，只是改变了施工逻辑，把每一个工人和每一台施工机械都变成精确定位的打印口，分层建造了大坝。为什么过去不用这种方法呢？
传统模式的大坝施工也有类似的操作，施工单位的工程师先拿到设计图纸表达的三维模型，再简化成二维平面图和一系列剖面图，用来控制施工进度。但是在3d模型处理和剖面控制方面，人终究不如计算机，很容易在处理不同剖面的时候产生交叉作业，影响工程质量。所以过去的施工还是要把整个大坝分成不同的3d局部结构，尽量减少同时开展的工艺类型，免得相互干扰。
现在自动机械比例越来越高，可以由计算机分配，在一个工作面上同时开展多项工作，不需要现场施工人员反复确认3d模型，也能拼精准的3d结构，降低了风险和误差。这是充分利用了最近十几年的计算机技术进步。
最近十几年越来越便宜，越来越可靠的技术服务，还有卫星定位技术和现场激光定位技术。每台机械都可以给自己定位到毫米级精度，所以不用固定在3D打印框架上，也能精确地把材料“喷”到指定位置，这也是新技术改变工程逻辑的表现。
无人挖掘机和无人卡车完成自主取料装料
另外，最近几年还发生了一个很重要的变化，就是无人设备的工作质量要超过有驾驶员的设备。这促使很多工程项目，尤其是缺人力的西部山区项目优先使用无人设备，也促使堆石坝这种单调工作中有变化的项目使用无人设备。一旦无人设备普遍化，用3d打印的切片生产逻辑去指挥它们，就是很自然的选择了。这比人类驾驶员自己看着图纸确定施工顺序要更合理，更安全。
比如说现在的水电站项目大量使用振动碾压机，工作原理是在振动轮内部装偏心的配重，运动起来，偏心的重块就像锤子间断性砸下去一样，反复捶打路面，和土石颗粒发生共振，促使土石颗粒彼此滑动，更均匀地混合。
但是和传统的静态轮碾压机相比，振动碾压机也有缺点，如果振动频率设置得不合理，反而会导致被碾压的材料越来越松。同时振动碾压机的偏心轮向驾驶室传递振动，会影响驾驶人员的健康，甚至影响操作精度，制造施工事故。所以振动式打印机很快接受了智能化、无人化改造。
振动碾压机
现在的无人碾压机，从头到脚都是传感器和电子设备。比如说摄像头、防撞雷达、卫星天线和无线通信天线。在振动轮的转轴上方装有霍尔传感器，根据磁场的变化来判断碾压机的瞬间振动频率，控制设备做出调整。我之前做节目，经常在桌子上摆类似原理的磁悬浮地球仪，磁场反馈技术能用在桌面小玩具上，当然也会更快地普及到施工机械。
除此之外，碾压机振动轮两侧安装了激光扫描装置，测量压路机前轮内侧与外侧的相对距离，计算压路机碾压时的变形量。这些信息反馈到计算机，就可以用来控制动力和传动系统，调整输出频率和力度，保证达到最佳碾压效果。
过去碾压机由人力操作，只能凭经验判断当前的工作是否合格。人类总有偷懒和懈怠的时候，所以必须靠频繁的抽样检查来控制施工质量。换成智能化碾压机之后，在工作的同时，就可以采集当前填筑层的信息，在施工的同时就完成了初步质检。
这些智能化无人设备逐步替换人类建筑工人之后，就没必要让每一辆无人设备独立工作了。用很低的成本，就可以把多种无人车分配到切片工作面上，一层层精确打印大坝，形成3d结构，羊曲水电站地处西部，受地质和材料条件限制，需要造分层碾压的堆石坝，又赶上了智能化工程机械的成熟期，所以率先尝试用分散的无人设备“打印”大坝。
用分散的无人设备替代统一的喷口，搞广义的3d打印建筑，这的确是建筑业的一个发展方向。美国的劳动力成本高，而美国人又热爱个性化的独栋房屋。为了节约劳动力，过去美国人造个人住宅的时候，很少像中国这样搭建钢筋网再浇筑混凝土，而是大量使用木制材料和标准构件，快速拼装。现在3d打印技术出现，意味着美国人可以用更低的成本建造个性化房屋，所以美国人比中国人更期待3D打印房屋技术。在中国发表3D打印大坝成果的第一时间，美国工程界就表达了关注。
从今年开始，中国的人口总数将进入下降周期，现在建筑工地上的工人年龄，比前几年明显增加，很快中国也没有大量的廉价建筑工人可用了。如果我们还希望中国的基础设施像过去几十年那样快速更新，就应该关注建筑业应用3d打印的进度。
中国绝大多数地方政府都设置了“墙体材料革新与建筑节能管理办公室”，主要工作内容是审查建筑设计和施工，禁止旧式的砖房，鼓励新建房屋加保温层，避免房子在建造和使用阶段消耗太多的资源。国家或许可以用类似的方法补贴3d打印房屋项目，早点开始节约建筑工人这种越来越少的资源。
打印出来的羊曲水电站，是一个重要的工程吗？
和最近几年新闻上能听说的工程比，羊曲电站的发电量不算大，黄河上游的全部水电潜力加起来，也只是接近一个三峡。但是羊曲电站对青海整个电力产业很重要。
现在羊曲水电站施工用的设备，无论是有人还是无人，都尽量用了电力驱动。很多重型卡车都不加油，而是充电或者换电池。这些电基本都来自附近的新能源电站。
羊曲水电站位于青海省海南州，周围都是大气稀薄，干旱少雨的山地，适合搞新能源发电。现在海南州搞了“千瓦千万级生态光伏发电项目”，有609.6平方公里光伏发电区，是全国乃至全世界集中发电规模最大的光伏电站群。另外海南州还有4000平方公里风力发电区，加起来占了中国总面积的千分之0.5。
由于光伏园区面积太大，青海省在光伏电站里面保留了牧场。光伏发电设备可以遮挡阳光，阻挡风速，降低发电场内的水分蒸发量，增加牧草生长。而更多的牧草进一步改善了水土保持情况，在局部逆转了土地的荒漠化和沙化趋势。
从2019年开始，青海就连续实验了“全绿电供能”，也就是在试验期内，整个青海省不用任何火力发电能源，只用水电、风电和光电。现在青海的新能源电力直接送到河南，供应中部工业区。
http://www.newenergy.org.cn/cyxx/201907/t20190703_498410.html
但是，光电和风电也有致命的弱点，就是发电不稳定，经常因为天气问题产生巨大波动。如果不能解决供电低谷问题，工业区很难下长期订单。现在电网的缺口主要是火电厂来弥补的，但水电站也能快速增加发电量。青海省本地多了几个水电站，就是字面意思上的西部大电“池”，平时蓄水，一旦遇到缺口就多放水发电，稳住比自身发电量大很多倍的电网。
可以说，羊曲电站是用绿色电力打印出来的绿色电池，虽然外表看起来和20世纪的类似项目差不多，但建造和使用逻辑完全融入了21世纪的IT革命和能源革命。
接下来分享几条近期简讯。
今年2月的399期节目，我们分析了中央“一号文件”和往年的不同。往年提到生物技术育种，也就是转基因技术的时候，都要强调“严格监管”，今年改成了“启动农业生物育种重大项目”。之前的1月20日，农业部总农艺师宣布已经开始试点转基因大豆和玉米。
https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_18478223
上周6月8日，农业部向全国发出《国家级转基因大豆品种审定标准》和《国家级转基因玉米品种审定标准》。中国即将全面推广转基因主粮。
最近2个月，俄罗斯将军死在战场上已经不是新闻。但是6月初举行葬礼的一个空军少将还是死得有点奇特。
http://news.china.com.cn/2022-06/04/content_78252840.htm
博塔舍夫少将1959年出生，苏联时代就是飞行员，过去一直飞老式的攻击机，缺乏驾驶三代重型机的训练。但是，凭借资格老，职位高，他等不及获得驾驶资格，就在2011年悄悄开苏34轰炸机上天过瘾。2012年，他又违规开了不允许驾驶的苏27上天，还做了特技动作。这次他把飞机开坏了，被迫跳伞逃命。
俄罗斯军事法庭判博塔舍夫缓刑，没要求他坐牢，但是必须退出现役，罚款500万卢布，现在债务都没还完。俄罗斯对乌克兰开战之后，博塔舍夫带着少将身份出来当雇佣兵，到乌克兰战场开苏25对地攻击，被毒刺导弹击落。你可以说这是一个勇敢的俄罗斯老兵，也可以认为俄罗斯人力资源紧张，63岁的犯罪军官都要上前线。和其他十来个死掉的俄罗斯将军比，博塔舍夫应该更适合出来代表俄罗斯当前的军事力量。
另外一个军事新闻，是我们节目的老朋友，“库兹涅佐夫”号航母。自从2018年进厂维修，这艘船就没什么好日子。先是被起重机砸穿了好几层甲板，然后又遇到火灾，很多人怀疑它已经没有维修价值了。今年433期节目提到，5月13日航母排队得到了一个空船坞，俄罗斯军方宣布9月份就能修好。当时我说“不知道这次俄国航母能不能自己开出来。”
https://www.guancha.cn/internation/2022_06_08_643616.shtml
6月8日，俄罗斯塔斯新闻社报道，军工部门的人表示，最早也要2024年才能把船还给部队。不知道2024年的俄罗斯军队已经是什么样了。
第439期节目，我介绍了广州刚刚下水的2000吨无人艇母船“珠海云”号。我当时说“珠海云”号自己也是无人船。后来我发现，这个说法有问题。“珠海云”号上面是有人的，只是控制的几十个海洋装置是无人驾驶。
上周6月7日，中国最大的百吨级无人艇终于出海了，刚刚在浙江舟山群岛完成了海上自主航行实验，外形相当帅，一看就是21世纪应该有的东西。 https://www.163.com/dy/article/H9BJMLKH0512DU6N.html
最后是几则关于人口的新闻。
5月23日，哈尔滨公布社会发展公报，总人口下降到988万，是第一个退出千万级人口的中国城市。同时这也意味着东北唯一的千万级人口城市降级了。
https://m.thepaper.cn/baijiahao_18222136
最近几年，东北人口下降不再是新闻，鹤岗一类的地级市都不如内地的县城看着热闹。但东北三个省会还在大量吸引人口，用下面市县的人口弥补自身的收缩，一度东北大城市人口还在增长。现在哈尔滨的人口都撑不住，说明全省的人口崩塌问题还要严重好几倍。
6月6日，另一个东北亚城市，韩国汉城人口也越过了一个标志性节点，5月统计数字显示，汉城常住人口下降到949.7万。2010年的时候，汉城还有1031万人，现在下降到不到950万，今后几十年韩国也不会再拥有千万级人口的大城市了。
https://www.guancha.cn/internation/2022_06_07_643400.shtml
东亚人口下降，很多城市想尽办法避免衰落。中国新闻周刊报道，去年12月30日，玉林市召开了“加快人口进城工作动员会”。今年春节到现在，广西玉林市各级政府都奉命组织“看房团”，把乡镇群众动员起来，到市区去参观，鼓励买房。这倒是提高基础设施利用率的好事。 https://new.qq.com/rain/a/20220529A03O2H00
对这些潜在的买房客户，玉林市推出了系列降税和补贴政策，其中第五条是：优先向进城购房且未就业的新市民推荐3个以上就业岗位，岗位薪酬不低于玉林最低工资标准，可享受一次免费的就业技能培训。进城购房的零就业家庭劳动力，可提供推荐公益性岗位安置服务。
https://www.163.com/dy/article/GU2ANU4J05149JCU.html
但我觉得玉林市似乎搞错了买房和工作的逻辑关系。在大多数年轻人都想去广东打工的背景下，群众不会因为一份最低工资的工作就进城托房价。而如果城区有很多高薪职位的话，不用补贴，群众也会主动到工作单位附近买房。要想稳住房价，最关键的还是要做好产业政策。
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