桥梁也可以 3D 打印了，你敢上去走走么？
桥梁也可以3D打印了，你敢上去逛逛么？
从未遏制追赶
上海有一座用 3D 打印手艺建造的桥梁，450 个小时打印完当作，利用寿命 30 年，造价却只有通俗桥梁的三分之二。
出品 |网易新闻
作者 |斯须千秋，清华大学土木匠程博士
3D 打印手艺正在渗入进我们糊口的方方面面，从航空航天范畴的紧密零件，到牙科大夫手中严丝合缝的支架，再到设计师手中精彩的珠宝、服饰和雕塑，都可以经由过程 3D 打印来完当作。
事实上，不仅仅是紧密元件，即使是“傻大黑粗”的建筑，也可以经由过程 3D 打印来建造。
起初，我们曾介绍过 3D 打印的房子（详见文章：《用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？它的手艺难点又在哪儿？
（一）利用 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，利用特别的混凝土作为材料。
这种混凝土中没有大石子，而是以藐小石子为骨料制当作的砂浆，此中掺加高强纤维，使之既可以承受压力，又可以承受拉力。这种特别的砂浆可以在空气中快速硬化，形当作强度后，再在上面笼盖新的一层，进而逐渐打印出整座建筑。
现在，3D 打印建筑正在逐渐推广。
在中低层独栋建筑的建造中，3D 打印比拟起通俗建造的建筑而言有着较着的价钱优势和环保优势，手艺已经相对当作熟，一套别墅的打印价钱只有 100 万元，比拟起大城市别墅的售价而言根基可以忽略。
并且，别墅的业本家儿可以心猿意马制个性化的房子，统一个小区的几百栋建筑可以做到布局千差万别，平安性却有保障。
有中国公司甚至推出了一种 3D 打印的“6 层楼栖身房”，连系工场化预制和现场组装，3D 打印建筑还可以越来越高。
然而到今朝为止，3D 打印建筑还很少被人推广到室第建筑以外的土木匠程上。
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间吃了这个“螃蟹”。
他们运用自立研发的机械臂，在上海宝山聪明湾建当作了宿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，桥梁布局借鉴自中国古代的赵州桥，采用单拱布局承受荷载，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，与桥拱一路修建出轻巧优雅的身形，横卧于上海聪明湾水池之上；桥面板采用了脑纹珊瑚的形态，珊瑚纹之间的空地填充细石子，形当作园林化的路面。
桥面坡度略微有些陡峭，但很不变，用手触摸桥面，可以感触感染到珊瑚纹的凹凸。
整座桥的扶植用了两台机械臂同时进行，用时 450 小时即全数打印完当作。
因为节流了模板和钢筋，大幅降低了当作本，它的造价只有通俗桥梁的 2/3。
（二）3D 打印桥梁难在哪儿？
比拟起桥梁、道路而言，室第建筑所承担的荷载、面对的情况仍是要暖和得多。
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，但却很是不抗拉。
在现实利用时，人们会往混凝土里埋入抗拉强度很高的钢筋，制当作钢筋混凝土，它兼具钢材的抗拉能力和混凝土的抗压能力，是一种很是优异的建筑材料。
不外到了现代，钢筋混凝土的一个致命弱点起头变得越来越碍眼了，那就是，无论建筑工程中投入几多主动化设备，绑扎钢筋这一步所耗损的劳动力却仿照照旧很难降下来。
就连 3D 打印建筑，它所节流下来的当作本和工期中半斤八两一部门也来自被打消的绑扎钢筋环节。
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，掺加必然量的高聚物纤维，就可以让混凝土既抗压又抗拉。
当砂浆承受拉力时，高聚纤维就会承担近似钢筋的脚色，约束砂浆的变形，防止砂浆内的微裂纹敏捷扩展造当作砂浆开裂，这样，就使得 3D 打印的砂浆既能抗压、又能抗拉。
现在这座 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，是划一级通俗砂浆的 3 倍之高，用来建造通俗衡宇，强度是绰绰有余的。
不外，桥梁在现实利用中承受的拉应力远非衡宇可比。
理论上讲，若是布局形式完全不异，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固然优于通俗混凝土，但与正常的钢筋混凝土比拟还有半斤八两的差距。这座 3D 打印的桥梁是若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。赵州桥的本家儿体布局是由 28 道块状石材砌筑当作的单拱并排而当作，从隋朝一向耸峙至今。
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 打印砂浆为何不成？
（三）和石拱桥分歧，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布局。
在贫乏钢材的古代，国表里建筑师们都别离自力地发现了拱形布局的长处。它可以将布局受到的弯矩转化为压力，再经由过程两侧的根本传递到地面上。拱布局自己并不难明，但对拱进行优化，设计出受力最合理的拱布局，将布局所受到的拉应力降到最低，这此中具有很高的手艺含量。
在拱桥设计中，采用了变量化设计与参数化设计相连系的三维实体建模方式，将全桥整体分当作桥拱布局、桥栏板、桥面板三个部门，三部门之间有联系，而其各自的内部外形则由参数化模子进行设计节制。桥拱布局被分当作 44 块 0.9×0.9×1.6 米的混凝土布局单位进行设计、计较和施工。
3D 打印拱桥并非像石拱桥一样，是粗笨的实心布局，将桥梁布局做当作空心，既能削减材料用量，又能减轻布局自重，关头是要怎么个空心法，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布局在拱桥的设计阶段，进行了 1:4 桥梁模子静载试验，展望现实建当作桥梁的力学行为，从而确保平安性。同时，在桥梁模子上还布设有传感器，检测布局在荷载感化下的位移转变。试验成果与理论计较的成果一致，表白布局设计合理。
拱桥的打印利用的是“机械臂 3D 打印混凝土系统”。这种打印系统由徐卫国传授团队研发，集数字建筑设计、打印路径生当作、操作系统等于一体，工作不变性好，打印效率高，精度高，并且可以长时候持续工作。
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当作与操作系统可以将形体设计、打印路径以及泵送、前端、机械臂活动合为整体，协同工作。
（四）3D 手艺打印建筑还不完美，但将来可期
固然在建造人行桥方面，3D 打印手艺可以用的驾轻就熟，但我们必需认可，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。现现在的 3D 打印建筑还有很多不当作熟的处所，按照此刻的科技，无论若何，3D 打印建筑的材料也不成能有和传统建材一样高的强度。
不外，3D 打印的固出缺陷并不克不及阻止 3D 打印建筑的蓬勃成长，3D 打印相对于传统建筑手艺而言有着跨越式的前进，其素质就是对于劳动力的解放。一座 3D 打印的步行桥，全程只需要两位手艺人员操作：一人筹办原材料，另一人操作键盘节制打印过程。
更主要的是，不管打印什么，多大的别墅，需要的也仍然是这么两三位手艺人员，这半斤八两于是倾覆性地改变了建筑行业的劳动力密集属性。
尽管 3D 打印手艺在大中型建筑、公共举措措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，其应用前景十分广漠。
在将来，用户可以按照本身的心意自由安闲地设计建筑，免除构件限制的懊恼和批示工人的麻烦。未来，也会有越来越多的人从繁重、危险的建筑行业中解脱出来，从事更有缔造性的工作。
- 发表于 2019-09-05 21:00
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