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肖建庄教授:3D打印混凝土构件与结构

肖建庄教授:3D打印混凝土构件与结构

打印 0条评论来源:国家土建装配化工程技术研究中心

1. 引言


近些年,3D打印混凝土技术取得了快速的发展,并在世界范围内成为了研究热点。计算机建模结合无模化施工技术理论上可以建造各种复杂造型的建筑,因此3D打印混凝土技术为建筑业带来了新的发展机遇。但是目前距离3D打印混凝土的实际工程应用还有很长的路要走,主要是因为目前3D打印混凝土构件和结构的研究不足。没有足够的结构设计和分析,就无法保证3D打印混凝土结构的安全。3D打印混凝土的各向异性、构件和结构形式、配筋方法等都是有待解决的问题。


本文主要是针对3D打印混凝土构件和结构进行的综述。首先分析了传统混凝土结构体系应用于3D打印混凝土结构的优势和劣势,然后总结了几种适合于3D打印混凝土的构件和结构形式并给出了相关案例,之后总结了几种配筋方法以及相应的优势和劣势。最后从多个方面对目前3D打印混凝土结构推广应用的障碍进行了讨论,并给出了相关的建议。本文希望给之后的3D打印混凝土结构的研究提供参考。


2. 3D打印混凝土构件和结构形式


目前,针对3D打印混凝土构件和结构的研究较少,考虑到充分发挥3D打印的数字化和个性化优势,本文总结了四种构件形式,分别为空心型构件、树型构件、拱型构件和结构-功能一体化构件。


空心型构件是指那些截面中留有孔洞的构件,这种构件不仅节省材料,而且还可以满足许多功能的需要。其截面内部的孔洞还可以为钢筋或者其他增强材料预留空间,相关案例如图1所示。



树型构件就是将树中的力学原理应用于3D混凝土构件中,类似于变截面构件,悬臂端截面小,支座端截面大。这种构件造型对于传统的混凝土施工技术比较麻烦,但是3D打印混凝土技术的发展使得这类构件的施工不再困难,相关案例如图2所示。


拱常见于桥梁和屋顶中。拱可以将竖向力转化为水平力,减小截面内部的拉应力,非常适合混凝土这类脆性材料。相比较于传统的施工技术,3D打印技术在建造拱型构件时,可以节省大量的模板并提供更多的设计空间,相关案例如图3所示。


3D打印技术也为结构功能一体化构件带来了巨大的潜力,例如节能、保温和隔声等,相关案例如图4所示。



3. 3D打印混凝土的配筋增强方法


虽然3D打印混凝土技术为构件的设计带来了巨大的潜力,但目前3D打印混凝土构件的承载能力还不足以满足工程应用的要求,因为3D打印采用逐层堆叠的建造方式,无法像传统施工技术那样放置钢筋,因此需要提出适合于3D打印混凝土的配筋增强方法。本文以增强材料作为分类标准,将其分为钢筋增强、纤维增强和3D打印材料增强。


钢筋增强可分为先置法和后置法。后置法是先打印轮廓形成模板,然后放入钢筋笼,并灌浆;先置法是先进行打印,之后放置钢筋网片,然后再继续打印。钢筋增强是目前比较可行且有效的增强方法,但目前还无法实现钢筋的自动放置。相关案例如图5和6所示。



纤维增强是将纤维加入到混凝土拌合物中进行搅拌,之后打印出含纤维的混凝土。纤维的掺入可以有效地提高3D打印混凝土的抗拉强度。且纤维增强的自动化程度较高,可以摆脱钢筋的限制,但纤维的掺入也会降低3D打印混凝土的可挤出性能。


3D打印材料增强是将增强材料与混凝土同步进行打印,增强材料位于条带内部或条带之间。目前应用较多的材料是钢丝索,这种增强方法的自动化程度较高,但仅能实现条带内部的增强,相关案例如图7所示。


4. 结语


(1)总结了四种适合于3D打印混凝土的构件和结构形式,分别为空心型构件、树型构件、拱型构件和结构-功能一体化构件。在构件和结构设计时,应充分考虑3D打印技术的数字化和个性化优势,另外也需要考虑美学、受力、功能、安全和可持续等的要求。


(2)以增强材料进行分类,总结了几种3D打印混凝土增强方法,包括钢筋增强、纤维增强和3D打印材料增强。三种方法的增强效果、自动化程度各不相同,可以根据实际工程需要,选择适合的增强方法。


(3)粉煤灰、再生砂以及其他低碳可持续材料的使用有望减少3D打印混凝土的碳排放,提高其经济和环境效益。在一些极端环境的施工中,比如低温、高温或者高湿度的环境,甚至是月球等,3D打印混凝土技术的优势将更加凸显。


本文已在《Sustainable Structures》 (SUST; Sustain. Struct.)发表。《Sustainable Structures》是一本专注于可持续发展结构研究的英文国际期刊。目前期刊编委30余名,来自全球15个国家或地区。引用信息如下:


Jianzhuang Xiao, Haoran Liu, Tao Ding, Guowei Ma. 3D printed concrete components and structures: an overview[J]. Sustainable Structures, 2021, 1(2): 000006. https://doi.org/10.54113/j.sust.2021.000006


网页链接:http://www.sustain-dpl.com/picnews.asp?id=155


原文下载:http://www.sustain-dpl.com/picnews.asp?id=155



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(编辑:奚雅青)


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