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清华徐卫国教授团队建成

目前世界最大混凝土3D打印步行桥

 

1月12日,清华大学(建筑学院)-中南置地数字建筑研究中心徐卫国教授团队运用自主研发的机器臂3D打印混凝土技术,在上海宝山智慧湾建成目前规模最大的混凝土3D打印步行桥。

图1 鸟瞰桥梁

图2 从西北侧看桥

图3 从西南侧看桥

图4 夜景

该步行桥全长26.3米,宽度3.6米,桥梁结构借取了中国古代赵州桥的结构方式,采用单拱结构承受荷载,拱脚间距14.4米。在该桥梁进入实际打印施工之前,进行了1:4缩尺实材桥梁破坏试验,其强度可满足站满行人的荷载要求。

整体桥梁工程的打印用了两台机器臂3D打印系统,共用450小时打印完成全部混凝土构件;与同等规模的桥梁相比,它的造价只有普通桥梁造价的三分之二;该桥梁主体的打印及施工未用模板,未用钢筋,大大节省了工程花费。 

步行桥的设计采用了三维实体建模,桥栏板采用了形似飘带的造形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;该桥的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。

该步行桥桥体由桥拱结构、桥栏板、桥面板三部分组成,桥体结构由44块0.9*0.9*1.6米的混凝土3D打印单元组成,桥栏板分为68块单元进行打印,桥面板共64块也通过打印制成。这些构件的打印材料均为聚乙烯纤维混凝土添加多种外加剂组成的复合材料,经过多次配比试验及打印实验,目前已具有可控的流变性满足打印需求;该新型混凝土材料的抗压强度达到65mpa,抗折强度达到15mpa。

图5 打印结构件

图6 打印桥面板

图7 打印桥栏板

该桥预埋有实时监测系统,包括振弦式应力监控和高精度应变监控系统,可以即时收集桥梁受力及变形状态数据,对于跟踪研究新型混凝土材料性能以及打印构件的结构力学性能具有实际作用。

随着我国人口红利的消失,建设工程对于劳动力的需求将越来越供不应求,智能建造将是解决这问题的重要渠道,它将推动我国建筑工业的转型升级,3D打印作为智能建造的一种重要方式将对工程建设的智能化发展发挥重要作用。

目前,3D混凝土打印建造方面还存在着许多需要解决的瓶颈问题,该领域技术研发及实际应用的竞争也日益激烈,国际国内具有相当多的科研机构及建造公司一直致力于这方面的技术攻关,但还没有真正将这一技术用于实际工程。该步行桥的建成,标志着这一技术从研发到实际工程应用迈出了可喜的一步,同时它标志着我国3D混凝土打印建造技术进入世界先进水平。

徐卫国教授团队研发的机器臂3D打印混凝土系统由数字建筑设计,打印路径生成,操作控制系统,打印机前端,混凝土材料等创新技术集成,具有工作稳定性好、打印效率快、成型精度高、可连续工作等特点。该系统在三个方面具有独特的创新性并领先于国内外同行,第一为机器臂前端打印头,它既具有搅拌又有挤压推送功能;第二为打印路径生成及操作系统,它将形体设计、合理路径、泵送、前端、机器臂运动等各系统连接为一体协同工作;第三为独有的打印材料配方,具有合理的材性及稳定的流变性。

徐卫国教授从2003年以来一直从事数字设计及数字建造研究。他通过教学、工程、策展、出版等多种渠道推动了数字建筑在中国的迅速发展,目前他在该领域出版有17本著作、发表120多篇论文。近年来,他的研究专注于以机器臂为基础的智能建造,研究内容涉及多方面,特别是在机器臂3D混凝土打印建造、以及机器臂自动砌筑的实际运用方面,取得重要进展。为了表彰他在这方面的贡献,2018年9月12-14日在瑞士苏黎世理工(ETH)举行的ROB|ARCH2018(国际机器人建筑大会)将“技术运用奖”授予徐卫国教授。 

 

 

 

 

 

 

清华大学建筑学

2019年01月15日

      

Address: School of Architecture Tsinghua University Peking China (100084)
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