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桥梁也可以 3D 打印了,你敢上去走走么?

JamesDeMers / CC0

桥梁也可以3D打印了,你敢上去走走么?

网易《了不起的中国制造》,从未停止追赶
上海有一座用 3D 打印技术建造的桥梁,450 个小时打印完成,使用寿命 30 年,造价却只有普通桥梁的三分之二。

出品 |网易新闻

作者 |须臾千秋,清华大学土木工程博士

  3D 打印技术正在渗透进我们生活的方方面面,从航空航天领域的精密零件,到牙科医生手中严丝合缝的支架,再到设计师手中精美的珠宝、服饰和雕塑,都可以通过 3D 打印来完成。

  事实上,不仅仅是精密元件,即使是“傻大黑粗”的建筑,也可以通过 3D 打印来建造。

  早先,我们曾介绍过 3D 打印的房子(详见文章:《用 3D 打印房子已经不是事儿,但你敢住吗?》),今天我们再来说说 3D 打印桥梁。打印桥梁和打印房子难度一样吗?它的技术难点又在哪儿?

(一)使用 3D 打印,不到 20 天就能造一座桥

3D 打印建筑的过程

  建筑的 3D 打印,打印喷嘴有几厘米粗,使用特殊的混凝土作为材料。

  这种混凝土中没有大石子,而是以细小石子为骨料制成的砂浆,其中掺加高强纤维,使之既可以承受压力,又可以承受拉力。这种特殊的砂浆可以在空气中快速硬化,形成强度后,再在上面覆盖新的一层,进而逐渐打印出整座建筑。

  如今,3D 打印建筑正在逐渐推广。

  在中低层独栋建筑的建造中,3D 打印相比起普通建造的建筑而言有着明显的价格优势和环保优势,技术已经相对成熟,一套别墅的打印价格只有 100 万元,相比起大城市别墅的售价而言基本可以忽略。

  而且,别墅的业主可以定制个性化的房子,同一个小区的几百栋建筑可以做到结构千差万别,安全性却有保障。

  有中国公司甚至推出了一种 3D 打印的“6 层楼居住房”,结合工厂化预制和现场组装,3D 打印建筑还可以越来越高。

  然而到目前为止,3D 打印建筑还很少被人推广到住宅建筑以外的土木工程上。

3D 打印的别墅

  2019 年 1 月 12 日,清华大学建筑学院 - 中南置地数字建筑研究中心吃了这个“螃蟹”。

  他们运用自主研发的机器臂,在上海宝山智慧湾建成了世界规模最大的混凝土 3D 打印步行桥。该步行桥全长 26.3 米,宽 3.6 米,桥梁结构借鉴自中国古代的赵州桥,采用单拱结构承受荷载,拱脚间距 14.4 米。

3D 打印的步行桥

  步行桥的桥栏板采用了形似飘带的造型,与桥拱一起构筑出轻盈优雅的体态,横卧于上海智慧湾池塘之上;桥面板采用了脑纹珊瑚的形态,珊瑚纹之间的空隙填充细石子,形成园林化的路面。

  桥面坡度略微有些陡峭,但很稳定,用手触摸桥面,可以感受到珊瑚纹的凹凸。

  整座桥的建设用了两台机械臂同时进行,用时 450 小时即全部打印完成。

  由于节省了模板和钢筋,大幅降低了成本,它的造价只有普通桥梁的 2/3。

(二)3D 打印桥梁难在哪儿?

  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。

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?

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?

(三)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。

  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?

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。

  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。