清華大學(xué)（建筑學(xué)院）中南置地數(shù)字建筑聯(lián)合研究中心：上海智慧灣3D打印混凝土橋

2018年11月27-28日，2018增材制造全球創(chuàng)新大賽經(jīng)過激烈地比拼，36個入圍路演復(fù)評的項目中，15個具有創(chuàng)新性、市場發(fā)展前景的增材制造項目獲得了評審專家們的青睞，贏得了終評的入場券。

下面是現(xiàn)場速記，南極熊希望可以很好還原其項目路演過程。
主持人：下面有請清華大學(xué)（建筑學(xué)院）中南置地數(shù)字建筑聯(lián)合研究中心徐衛(wèi)國教授帶來上海智慧灣3D打印混凝土橋展示。
徐衛(wèi)國：各位專家、各位同行下午好！

我們提交的項目實際上是3D混凝土打印技術(shù)及其應(yīng)用。上海智慧灣3D混凝土打印橋是一個實際案例在施工過程當(dāng)中

關(guān)于3D打印混凝土從發(fā)明以來，世界各地和國內(nèi)的機(jī)構(gòu)都在深度研發(fā)。但是目前比較普及是三個軸打印XYZ三個方向打印，發(fā)展到現(xiàn)在3D混凝土打印，打印軸、材料、打印系統(tǒng)遇到了很多的瓶頸問題。這些問題導(dǎo)致了3D混凝土打印目前沒有人把它推向建筑工業(yè)。遇到這些問題的時候，清華大學(xué)和中南置地合作成立了數(shù)字建筑聯(lián)合研究中心，解決這些瓶頸問題，把3D混凝土打印推向?qū)嶋H工程應(yīng)用。
  
目前為止做3D混凝土打印研發(fā)有幾個創(chuàng)新；

一、可以空間打印。像第一個項目，從不同的方向進(jìn)行垂直打印，我們試圖從百分之開始能夠彎曲打，在空中多維度打印，這樣打印自由度增強(qiáng)了。它可以打印更多形式的建筑，或者建筑的構(gòu)件，能夠從不同的角度打印更復(fù)雜的建筑構(gòu)建和建筑。這是我們做一個研發(fā)，如何來打印彎曲的構(gòu)件，實際上用的機(jī)械臂協(xié)同，這是機(jī)械臂打印下面的底座。這個頭是我們研發(fā)的拼裝起來，在市面上進(jìn)行混凝土的打印，這是打印模擬，這是實際現(xiàn)場打印，有三米直徑，兩個機(jī)械臂相同工作，一個機(jī)械臂長度有限，兩個機(jī)械臂擴(kuò)大打印范圍，更多機(jī)械臂可以協(xié)作更大尺寸的構(gòu)件。這是一個彎曲的迷宮，它有弧度。用現(xiàn)在三軸打印機(jī)打印不出復(fù)雜的構(gòu)件。

二、前端可以連續(xù)作業(yè)。3D混凝土打印最大的問題如果混凝土如果太稀的話，打出來不能立住會癱，太稠的話堵在頭里面打不出來，很多家都遇到這些問題。我們針對這個問題做了研發(fā)，研發(fā)的特點(diǎn)頭里面既可以攪拌，可以有擠出的力，通過這種思路，實際上完全解決了堵頭的問題。所以前端是研發(fā)特點(diǎn)之一，目前也是在混凝土在國際上最領(lǐng)先的地方。

在前端最前頭可以替換各種不同口徑的噴嘴，擠出的口徑不一樣的時候，可以換不同口徑、不同的形式的噴嘴。

三、研發(fā)了一種比較適合于3D打印的材料。這個材料本身既能夠打印過程當(dāng)中有流動性，同時打完以后具有流變性使得形態(tài)成形。對于這個材料做了許多次的破壞實驗，目前這個材料抗壓強(qiáng)度達(dá)到70MPA，康折強(qiáng)度達(dá)到17MPA。

四、因為我們設(shè)計出了形態(tài)，這個形態(tài)轉(zhuǎn)化成代碼和路徑，我們研發(fā)了分析程序，這個程序告訴你哪些地方是薄弱環(huán)節(jié)，有可能在成型過程當(dāng)中會坍塌，有一個極限值，極限值太大的話會倒，在打印之前可以檢查形態(tài)，是否能夠在打印過程當(dāng)中保證不塌。


基于上面的研發(fā)今年在瑞士召開了全世界建筑機(jī)器人大會，對于我們陳果給予充分肯定，會議兩年一次，每一次發(fā)五個獎，其中一個獎發(fā)給我，認(rèn)為我們在技術(shù)應(yīng)用方面取得了目前暫時領(lǐng)先的成績。發(fā)給我一個“建設(shè)技術(shù)運(yùn)用獎”，其他獎是科研、設(shè)計等等，在技術(shù)應(yīng)用方面，認(rèn)為我們目前是世界領(lǐng)先的。

在上海3D打印創(chuàng)客大賽當(dāng)中，上�？偣舶l(fā)了三個獎，其中有一個獎發(fā)給我們，這個椅子是大尺度、不規(guī)則的椅子，通過3D混凝土打印成形的。


3D混凝土打印應(yīng)用，一個是之前打的藝術(shù)品，迷宮花園。另外一個把它應(yīng)用在上海智慧灣橋梁上，目前這個橋梁構(gòu)建已經(jīng)打印完畢，正在裝備施工。這是橋的設(shè)計方案，橋的跨度是14.4米，整個橋長是27.7米，寬度4米，由三個部分組成；拱的部分。橋的欄板部分，還有橋面板，主要是三個部分，橋的拱四米的寬度分為四條拱，結(jié)構(gòu)構(gòu)建44塊，橋欄板有70塊，隨著縱向方向切成70塊，一邊35塊，橋面板36塊，橫向3塊，縱向若干塊。這是對于結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計。


為了減輕混凝土的重量，44塊每一塊里面都是空心的。在結(jié)構(gòu)受理分析的時候考慮了可靠性和穩(wěn)定性，同時把材料簡化了，這是對于位移和硬力的分析。在建設(shè)和打印之前，進(jìn)行了橋梁測試破壞實驗，打印過程，打印過程當(dāng)中用了兩臺機(jī)械臂同時打印，打一塊構(gòu)建了用兩臺機(jī)械臂同時打印，打一塊構(gòu)件是4個小時，這是打印過程。打印塊寬度0.9米，高度1.6米，目前這些塊已經(jīng)打印完了，這是在吊裝，這是橋面板，結(jié)構(gòu)部分安裝的現(xiàn)場。

橋面板是一個飄帶形，沿著縱向切成35塊，每一塊橫著打，然后豎著吊裝。這是橋面板，里面放土然后再綠化，是一個步行橋有綠化。這是建成之后測試效果，沿著這個方向切成35塊，每一塊分別打印艷裝上去，這是從遠(yuǎn)處看橋占地面。橋面板可以看出上面有圖樣墻面板將來要種上綠化。

我的介紹到這里謝謝大家！


李張苗：徐教授其實我向您學(xué)習(xí)，您是真正專家，我從企業(yè)里面從應(yīng)用角度過來向您請教。徐教授設(shè)備有一個XYC三個方向，這是比較少見。我看了兩臺同時打一個構(gòu)件，對于兩臺之間聯(lián)動工作控制系統(tǒng)要求更高一點(diǎn)。


這個橋一些混凝土的構(gòu)建都是3D打印，但是主體受力，還是靠鋼材承受拉力。一個構(gòu)件是4個小時，從構(gòu)件打印完成，一直到橋施工完成大概要多長時間？設(shè)備清洗是否方便，有攪拌功能，混凝土凝結(jié)時間，一旦工作久的話，如果歇了機(jī)器再重新工作的話，歇完機(jī)器有一個清洗，清洗是不是很容易或者很方便。


打的混凝土材料，是純砂漿性質(zhì)，還是有其他在里面？

徐衛(wèi)國：這些都是關(guān)鍵性問題。第一個問題橋的受力，剛才看到剛架只是為了裝配，做了臨時支架，因為它是一個拱，像趙州橋一樣，受壓力，自己有穩(wěn)定性可以受力。


第二個問題，確實洗起來比較麻煩，大家都遇到這個問題洗起來不容易，我們的目標(biāo)讓它盡可能少洗連續(xù)打印，連續(xù)時間更長一點(diǎn)，洗起來次數(shù)少一點(diǎn)。從打印前端構(gòu)造來說，卸起來很容易，我的背景學(xué)建筑，所以能夠很快卸下來很快安裝上，有助于清洗。另外里面有一個葉片，一拿下來就要細(xì)，一洗一沖就可以洗好。

第三個問題，這里面有砂子、水泥、添加劑。

李張苗：沒有粗滾料，都是細(xì)滾料。

顏海軍：我們是做園區(qū)，跟清華合作比較多，中國整個創(chuàng)新里面，我們跟高校清華、哈工大在3D打印做出很大的貢獻(xiàn)，有一個問題，學(xué)校好的技術(shù)專程商業(yè)化應(yīng)用發(fā)揮最大的效率，我們在合作過程當(dāng)中這是一個很關(guān)鍵的步驟，只有通過它才能把技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化。徐老師這一塊整個技術(shù)在后續(xù)整個商業(yè)化里面是怎么考慮的。

徐衛(wèi)國：目前我們確實在尋找支持，想把它推向整個市場，有幾個想法，一個是打印大型構(gòu)件，應(yīng)該說在各方面已經(jīng)成熟了，自己覺得可以比較穩(wěn)定的。包括打印技術(shù)，包括了設(shè)計而且還包括了材料本身，試想這個材料可以做成袋裝，專門提供給用它進(jìn)行加工的用戶，把添加料作為小袋像方便面一樣放在里面，做好配比，進(jìn)行袋裝材料的銷售，可以研發(fā)前端的銷售，整個集成性都可以。


我們終極目標(biāo)還是希望打一個房子，這是我的夢想，一定能夠通過3D混凝土打印，用最新的房子打印出房屋，像有的公司確實打印出來房屋，但是只打印出來房屋主體結(jié)構(gòu)，因為打完墻體以后，房子還有保溫防水管道裝飾等等，設(shè)定的目標(biāo)要實現(xiàn)整個系統(tǒng)打印，但是是分向的，主體打印之后還有保溫的打印，順便處理。還有地面、屋頂、天花板、管道都依靠3D打印，或者是裝配式構(gòu)件打印，集成在一起形成系統(tǒng)，這是第二步。


目前希望能夠盡快推向?qū)嶋H使用，推向建筑工業(yè)，比較成熟的打印構(gòu)件，家具等等，打印房屋還不成熟需要研發(fā)。


姚京：我有幾個問題；第一個基于剛剛您所展示迷宮項目，我看到在整個過程里面會有人機(jī)協(xié)同的部分，看到在人工送料的部分，我想問您的問題，是否整個一體化過程，未來在后續(xù)會有一個進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化？讓整個更加連續(xù)性更加完整和整體。

徐衛(wèi)國：目前還是人操作，泵送現(xiàn)在分開的，推想市場和應(yīng)用過程當(dāng)中，設(shè)想把這些東西結(jié)合起來，像混凝土攪拌、泵送這些相對變成越來越大的機(jī)器，現(xiàn)在都是分散的，下一步推向建筑工業(yè)過程當(dāng)中把這些東西集成起來，包括看到的管子還有掛在機(jī)械臂上，挺LOW的，需要進(jìn)一步從產(chǎn)品設(shè)計的方面進(jìn)一步完善更繼承化，體積耿曉，這確實是需要進(jìn)一步改進(jìn)。

姚京：第二個問題基于橋的項目，有兩個小問題，是基于什么原因在橋梁工程當(dāng)中應(yīng)用3D打印技術(shù)。完成這樣一個工程的話施工造價是怎么樣的？

徐衛(wèi)國：目前做這個橋?qū)嶋H上是拱橋受理特點(diǎn)是受壓，是沿著拱軸方向受壓，混凝土性能優(yōu)勢受壓，把兩者結(jié)合在一塊做了一個拱橋，其他形式的橋不一定像現(xiàn)在這種方式進(jìn)行打印。


造價確實便宜了很多，做一個這么大的橋一般工程造價（200每公斤），但是我們做下來（100每公斤），他們聽完以后感覺很吃驚，因為混凝土這個材料普遍使用就是偏移，目前有點(diǎn)貴，貴在哪？是纖維，包括國外進(jìn)口公司壟斷，那個纖維比較好，攪拌完以后不打堆，國內(nèi)有一些纖維攪拌以后打堆，表面經(jīng)過處理一攪拌比較均勻，造價比較高，如果把這個省下來可以更便宜。