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3D打印桥梁有什么难度需要克服

2019-11-27 22:17:22 3ddayin 13

相比起桥梁、道路而言,住宅建筑所承担的荷载、面临的环境还是要温和得多。

  混凝土是一种典型的脆性材料,它最大的特点,是抗压能力很强,但却非常不抗拉。

  在实际使用时,人们会往混凝土里埋入抗拉强度很高的钢筋,制成钢筋混凝土,它兼具钢材的抗拉能力和混凝土的抗压能力,是一种非常优秀的建筑材料。

  不过到了现代,钢筋混凝土的一个致命弱点开始变得越来越碍眼了,那就是,无论建筑工程中投入多少自动化设备,绑扎钢筋这一步所消耗的劳动力却仍旧很难降下来。

  就连3D打印建筑,它所节省下来的成本和工期中相当一部分也来自被取消的绑扎钢筋环节。

3D打印服务
极为劳动力密集的钢筋绑扎工序

  其实,3D打印所用的砂浆中,掺加一定量的高聚物纤维,就可以让混凝土既抗压又抗拉。

  当砂浆承受拉力时,高聚纤维就会承担类似钢筋的角色,约束砂浆的变形,防止砂浆内的微裂纹迅速扩展造成砂浆开裂,这样,就使得3D打印的砂浆既能抗压、又能抗拉。

  如今这座3D打印拱桥就采用了一种特制的聚乙烯纤维砂浆,这种砂浆的抗压强度达65MPa,抗折强度达15.6MPa,是同等级普通砂浆的3倍之高,用来建造普通房屋,强度是绰绰有余的。

  不过,桥梁在实际使用中承受的拉应力远非房屋可比。

  理论上讲,如果结构形式完全相同,一座跨度26米的桥所承受的拉力是一个跨度6米的楼盖受拉力的20倍之多。3D打印砂浆的抗拉强度虽然优于普通混凝土,但与正常的钢筋混凝土相比还有相当的差距。这座3D打印的桥梁是如何做到这一跨度的呢?

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赵州桥

  设计师们从1400年前的赵州桥中获得了灵感。赵州桥的主体结构是由28道块状石材砌筑成的单拱并排而成,从隋朝一直屹立至今。

  我们知道,砌筑块石是一种只能抗压,而抗拉强度则几乎为零的材料。既然它都可以造桥,那3D打印砂浆为何不可?

和石拱桥不同,3D打印的拱桥是空心的

  其实,赵州桥的精髓就在于它的拱形结构。

  在缺少钢材的古代,国内外建筑师们都分别独立地发现了拱形结构的优点。它可以将结构受到的弯矩转化为压力,再通过两侧的基础传递到地面上。拱结构本身并不难懂,但对拱进行优化,设计出受力最合理的拱结构,将结构所受到的拉应力降到最低,这其中具有很高的技术含量。

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  在拱桥设计中,采用了变量化设计与参数化设计相结合的三维实体建模方法,将全桥整体分成桥拱结构、桥栏板、桥面板三个部分,三部分之间有联系,而其各自的内部形状则由参数化模型进行设计控制。桥拱结构被分成44块0.9×0.9×1.6米的混凝土结构单元进行设计、计算和施工。

  3D打印拱桥并非像石拱桥一样,是笨重的实心结构,将桥梁结构做成空心,既能减少材料用量,又能减轻结构自重,关键是要怎么个空心法,既能不影响强度,又能减轻重量呢?

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3D打印机械臂与桥梁内部结构

  在拱桥的设计阶段,进行了1:4桥梁模型静载试验,预测实际建成桥梁的力学行为,从而确保安全性。同时,在桥梁模型上还布设有传感器,检测结构在荷载作用下的位移变化。试验结果与理论计算的结果一致,表明结构设计合理。

  拱桥的打印使用的是“机械臂3D打印混凝土系统”。这种打印系统由徐卫国教授团队研发,集数字建筑设计、打印路径生成、操作系统等于一体,工作稳定性好,打印效率高,精度高,而且可以长时间连续工作。

  机械臂前端的打印头兼具搅拌和挤压推送的功能,可以保障出料的均一顺畅。机械臂的打印路径生成与操作系统可以将形体设计、打印路径以及泵送、前端、机械臂运动合为整体,协同工作。

(四)3D技术打印建筑还不完美,但未来可期

  虽然在建造人行桥方面,3D打印技术可以用的得心应手,但我们必须承认,3D打印的材料仍然不足以应对强度要求更高的桥梁、大型建筑等工程。现如今的3D打印建筑还有许多不成熟的地方,按照现在的科技,无论如何,3D打印建筑的材料也不可能有和传统建材一样高的强度。

  不过,3D打印的固有缺陷并不能阻止3D打印建筑的蓬勃发展,3D打印相对于传统建筑技术而言有着跨越式的进步,其本质就是对于劳动力的解放。一座3D打印的步行桥,全程只需要两位技术人员操作:一人准备原材料,另一人操作键盘控制打印过程。

  更重要的是,不管打印什么,多大的别墅,需要的也仍然是这么两三位技术人员,这相当于是颠覆性地改变了建筑行业的劳动力密集属性。

3D打印服务

  尽管3D打印技术在大中型建筑、公共设施建造中的应用还有待时日,但在小型建筑以及局部建筑构件中,其应用前景十分广阔。

  在未来,用户可以按照自己的心意自由自在地设计建筑,免去构件限制的烦恼和指挥工人的麻烦。将来,也会有越来越多的人从繁重、危险的建筑行业中解脱出来,从事更有创造性的工作。


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