橋梁也可以 3D 打印了，你敢上去走走么？
橋梁也可以3D打印了，你敢上去逛逛么？
從未遏制追趕
上海有一座用 3D 打印手藝建造的橋梁，450 個小時打印完當作，利用壽命 30 年，造價卻只有通俗橋梁的三分之二。
出品 |網易新聞
作者 |斯須千秋，清華大學土木匠程博士
3D 打印手藝正在滲入進我們糊口的方方面面，從航空航天范疇的緊密零件，到牙科大夫手中嚴絲合縫的支架，再到設計師手中精彩的珠寶、服飾和雕塑，都可以經由過程 3D 打印來完當作。
事實上，不僅僅是緊密元件，即使是“傻大黑粗”的建筑，也可以經由過程 3D 打印來建造。
起初，我們曾介紹過 3D 打印的房子（詳見文章：《用打印房子已經不是事兒但你敢住嗎》），今天我們再來說說 3D 打印橋梁。打印橋梁和打印房子難度一樣嗎？它的手藝難點又在哪兒？
（一）利用 3D 打印，不到 20 天就能造一座橋
3D 打印建筑的過程建筑的 3D 打印，打印噴嘴有幾厘米粗，利用特別的混凝土作為材料。
這種混凝土中沒有大石子，而是以藐小石子為骨料制當作的砂漿，此中摻加高強纖維，使之既可以承受壓力，又可以承受拉力。這種特別的砂漿可以在空氣中快速硬化，形當作強度后，再在上面籠蓋新的一層，進而逐漸打印出整座建筑。
現在，3D 打印建筑正在逐漸推廣。
在中低層獨棟建筑的建造中，3D 打印比擬起通俗建造的建筑而言有著較著的價錢優勢和環保優勢，手藝已經相對當作熟，一套別墅的打印價錢只有 100 萬元，比擬起大城市別墅的售價而言根基可以忽略。
并且，別墅的業本家兒可以心猿意馬制個性化的房子，統一個小區的幾百棟建筑可以做到布局千差萬別，平安性卻有保障。
有中國公司甚至推出了一種 3D 打印的“6 層樓棲身房”，連系工場化預制和現場組裝，3D 打印建筑還可以越來越高。
然而到今朝為止，3D 打印建筑還很少被人推廣到室第建筑以外的土木匠程上。
3D 打印的別墅2019 年 1 月 12 日，清華大學建筑學院 - 中南置地數字建筑研究中間吃了這個“螃蟹”。
他們運用自立研發的機械臂，在上海寶山聰明灣建當作了宿世界規模最大的混凝土 3D 打印步行橋。該步行橋全長 26.3 米，寬 3.6 米，橋梁布局借鑒自中國古代的趙州橋，采用單拱布局承受荷載，拱腳間距 14.4 米。
3D 打印的步行橋步行橋的橋欄板采用了形似飄帶的造型，與橋拱一路修建出輕巧優雅的身形，橫臥于上海聰明灣水池之上；橋面板采用了腦紋珊瑚的形態，珊瑚紋之間的空地填充細石子，形當作園林化的路面。
橋面坡度略微有些陡峭，但很不變，用手觸摸橋面，可以感觸感染到珊瑚紋的凹凸。
整座橋的扶植用了兩臺機械臂同時進行，用時 450 小時即全數打印完當作。
因為節流了模板和鋼筋，大幅降低了當作本，它的造價只有通俗橋梁的 2/3。
（二）3D 打印橋梁難在哪兒？
比擬起橋梁、道路而言，室第建筑所承擔的荷載、面對的情況仍是要暖和得多。
混凝土是一種典型的脆性材料，它最大的特點，是抗壓能力很強，但卻很是不抗拉。
在現實利用時，人們會往混凝土里埋入抗拉強度很高的鋼筋，制當作鋼筋混凝土，它兼具鋼材的抗拉能力和混凝土的抗壓能力，是一種很是優異的建筑材料。
不外到了現代，鋼筋混凝土的一個致命弱點起頭變得越來越礙眼了，那就是，無論建筑工程中投入幾多主動化設備，綁扎鋼筋這一步所耗損的勞動力卻仿照照舊很難降下來。
就連 3D 打印建筑，它所節流下來的當作本和工期中半斤八兩一部門也來自被打消的綁扎鋼筋環節。
極為勞動力密集的鋼筋綁扎工序其實，3D 打印所用的砂漿中，摻加必然量的高聚物纖維，就可以讓混凝土既抗壓又抗拉。
當砂漿承受拉力時，高聚纖維就會承擔近似鋼筋的腳色，約束砂漿的變形，防止砂漿內的微裂紋敏捷擴展造當作砂漿開裂，這樣，就使得 3D 打印的砂漿既能抗壓、又能抗拉。
現在這座 3D 打印拱橋就采用了一種特制的聚乙烯纖維砂漿，這種砂漿的抗壓強度達 65MPa，抗折強度達 15.6MPa，是劃一級通俗砂漿的 3 倍之高，用來建造通俗衡宇，強度是綽綽有余的。
不外，橋梁在現實利用中承受的拉應力遠非衡宇可比。
理論上講，若是布局形式完全不異，一座跨度 26 米的橋所承受的拉力是一個跨度 6 米的樓蓋受拉力的 20 倍之多。3D 打印砂漿的抗拉強度固然優于通俗混凝土，但與正常的鋼筋混凝土比擬還有半斤八兩的差距。這座 3D 打印的橋梁是若何做到這一跨度的呢？
趙州橋設計師們從 1400 年前的趙州橋中獲得了靈感。趙州橋的本家兒體布局是由 28 道塊狀石材砌筑當作的單拱并排而當作，從隋朝一向聳峙至今。
我們知道，砌筑塊石是一種只能抗壓，而抗拉強度則幾乎為零的材料。既然它都可以造橋，那 3D 打印砂漿為何不成？
（三）和石拱橋分歧，3D 打印的拱橋是空心的
其實，趙州橋的精髓就在于它的拱形布局。
在貧乏鋼材的古代，國表里建筑師們都別離自力地發現了拱形布局的長處。它可以將布局受到的彎矩轉化為壓力，再經由過程兩側的根本傳遞到地面上。拱布局自己并不難明，但對拱進行優化，設計出受力最合理的拱布局，將布局所受到的拉應力降到最低，這此中具有很高的手藝含量。
在拱橋設計中，采用了變量化設計與參數化設計相連系的三維實體建模方式，將全橋整體分當作橋拱布局、橋欄板、橋面板三個部門，三部門之間有聯系，而其各自的內部外形則由參數化模子進行設計節制。橋拱布局被分當作 44 塊 0.9×0.9×1.6 米的混凝土布局單位進行設計、計較和施工。
3D 打印拱橋并非像石拱橋一樣，是粗笨的實心布局，將橋梁布局做當作空心，既能削減材料用量，又能減輕布局自重，關頭是要怎么個空心法，既能不影響強度，又能減輕重量呢？
3D 打印機械臂與橋梁內部布局在拱橋的設計階段，進行了 1:4 橋梁模子靜載試驗，展望現實建當作橋梁的力學行為，從而確保平安性。同時，在橋梁模子上還布設有傳感器，檢測布局在荷載感化下的位移轉變。試驗成果與理論計較的成果一致，表白布局設計合理。
拱橋的打印利用的是“機械臂 3D 打印混凝土系統”。這種打印系統由徐衛國傳授團隊研發，集數字建筑設計、打印路徑生當作、操作系統等于一體，工作不變性好，打印效率高，精度高，并且可以長時候持續工作。
機械臂前端的打印頭兼具攪拌和擠壓推送的功能，可以保障出料的均一順暢。機械臂的打印路徑生當作與操作系統可以將形體設計、打印路徑以及泵送、前端、機械臂活動合為整體，協同工作。
（四）3D 手藝打印建筑還不完美，但將來可期
固然在建造人行橋方面，3D 打印手藝可以用的駕輕就熟，但我們必需認可，3D 打印的材料仍然不足以應對強度要求更高的橋梁、大型建筑等工程。現現在的 3D 打印建筑還有很多不當作熟的處所，按照此刻的科技，無論若何，3D 打印建筑的材料也不成能有和傳統建材一樣高的強度。
不外，3D 打印的固出缺陷并不克不及阻止 3D 打印建筑的蓬勃成長，3D 打印相對于傳統建筑手藝而言有著跨越式的前進，其素質就是對于勞動力的解放。一座 3D 打印的步行橋，全程只需要兩位手藝人員操作：一人籌辦原材料，另一人操作鍵盤節制打印過程。
更主要的是，不管打印什么，多大的別墅，需要的也仍然是這么兩三位手藝人員，這半斤八兩于是傾覆性地改變了建筑行業的勞動力密集屬性。
盡管 3D 打印手藝在大中型建筑、公共舉措措施建造中的應用還有待時日，但在小型建筑以及局部建筑構件中，其應用前景十分廣漠。
在將來，用戶可以按照本身的心意自由安閑地設計建筑，免除構件限制的懊惱和批示工人的麻煩。未來，也會有越來越多的人從繁重、危險的建筑行業中解脫出來，從事更有締造性的工作。
- 發表于 2019-09-05 21:00
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