清華大學(xué)（建筑學(xué)院）中南置地?cái)?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(guò)激烈地比拼，36個(gè)入圍路演復(fù)評(píng)的項(xiàng)目中，15個(gè)具有創(chuàng)新性、市場(chǎng)發(fā)展前景的增材制造項(xiàng)目獲得了評(píng)審專家們的青睞，贏得了終評(píng)的入場(chǎng)券。

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

我們提交的項(xiàng)目實(shí)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(gè)實(shí)際案例在施工過(guò)程當(dāng)中

關(guān)于3D打印混凝土從發(fā)明以來(lái)，世界各地和國(guó)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(gè)軸打印XYZ三個(gè)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(wèn)題。這些問(wèn)題導(dǎo)致了3D混凝土打印目前沒(méi)有人把它推向建筑工業(yè)。遇到這些問(wèn)題的時(shí)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(wèn)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(gè)創(chuàng)新；

一、可以空間打印。像第一個(gè)項(xiàng)目，從不同的方向進(jìn)行垂直打印，我們?cè)噲D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(gè)研發(fā)，如何來(lái)打印彎曲的構(gòu)件，實(shí)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(gè)頭是我們研發(fā)的拼裝起來(lái)，在市面上進(jìn)行混凝土的打印，這是打印模擬，這是實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)打印，有三米直徑，兩個(gè)機(jī)械臂相同工作，一個(gè)機(jī)械臂長(zhǎng)度有限，兩個(gè)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(gè)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(wèn)題如果混凝土如果太稀的話，打出來(lái)不能立住會(huì)癱，太稠的話堵在頭里面打不出來(lái)，很多家都遇到這些問(wèn)題。我們針對(duì)這個(gè)問(wèn)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(guò)這種思路，實(shí)際上完全解決了堵頭的問(wèn)題。所以前端是研發(fā)特點(diǎn)之一，目前也是在混凝土在國(guó)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(shí)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(gè)材料本身既能夠打印過(guò)程當(dāng)中有流動(dòng)性，同時(shí)打完以后具有流變性使得形態(tài)成形。對(duì)于這個(gè)材料做了許多次的破壞實(shí)驗(yàn)，目前這個(gè)材料抗壓強(qiáng)度達(dá)到70MPA，康折強(qiáng)度達(dá)到17MPA。

四、因?yàn)槲覀冊(cè)O(shè)計(jì)出了形態(tài)，這個(gè)形態(tài)轉(zhuǎn)化成代碼和路徑，我們研發(fā)了分析程序，這個(gè)程序告訴你哪些地方是薄弱環(huán)節(jié)，有可能在成型過(guò)程當(dāng)中會(huì)坍塌，有一個(gè)極限值，極限值太大的話會(huì)倒，在打印之前可以檢查形態(tài)，是否能夠在打印過(guò)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(huì)，對(duì)于我們陳果給予充分肯定，會(huì)議兩年一次，每一次發(fā)五個(gè)獎(jiǎng)，其中一個(gè)獎(jiǎng)發(fā)給我，認(rèn)為我們?cè)诩夹g(shù)應(yīng)用方面取得了目前暫時(shí)領(lǐng)先的成績(jī)。發(fā)給我一個(gè)“建設(shè)技術(shù)運(yùn)用獎(jiǎng)”，其他獎(jiǎng)是科研、設(shè)計(jì)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(gè)獎(jiǎng)，其中有一個(gè)獎(jiǎng)發(fā)給我們，這個(gè)椅子是大尺度、不規(guī)則的椅子，通過(guò)3D混凝土打印成形的。


3D混凝土打印應(yīng)用，一個(gè)是之前打的藝術(shù)品，迷宮花園。另外一個(gè)把它應(yīng)用在上海智慧灣橋梁上，目前這個(gè)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(jì)方案，橋的跨度是14.4米，整個(gè)橋長(zhǎng)是27.7米，寬度4米，由三個(gè)部分組成；拱的部分。橋的欄板部分，還有橋面板，主要是三個(gè)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(duì)于結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)。


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(shí)候考慮了可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)把材料簡(jiǎn)化了，這是對(duì)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(cè)試破壞實(shí)驗(yàn)，打印過(guò)程，打印過(guò)程當(dāng)中用了兩臺(tái)機(jī)械臂同時(shí)打印，打一塊構(gòu)建了用兩臺(tái)機(jī)械臂同時(shí)打印，打一塊構(gòu)件是4個(gè)小時(shí)，這是打印過(guò)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(chǎng)。

橋面板是一個(gè)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(gè)步行橋有綠化。這是建成之后測(cè)試效果，沿著這個(gè)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(lái)要種上綠化。

我的介紹到這里謝謝大家！


李張苗：徐教授其實(shí)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(guò)來(lái)向您請(qǐng)教。徐教授設(shè)備有一個(gè)XYC三個(gè)方向，這是比較少見(jiàn)。我看了兩臺(tái)同時(shí)打一個(gè)構(gòu)件，對(duì)于兩臺(tái)之間聯(lián)動(dòng)工作控制系統(tǒng)要求更高一點(diǎn)。


這個(gè)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(gè)構(gòu)件是4個(gè)小時(shí)，從構(gòu)件打印完成，一直到橋施工完成大概要多長(zhǎng)時(shí)間？設(shè)備清洗是否方便，有攪拌功能，混凝土凝結(jié)時(shí)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(gè)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(guó)：這些都是關(guān)鍵性問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題橋的受力，剛才看到剛架只是為了裝配，做了臨時(shí)支架，因?yàn)樗�是一個(gè)拱，像趙州橋一樣，受壓力，自己有穩(wěn)定性可以受力。


第二個(gè)問(wèn)題，確實(shí)洗起來(lái)比較麻煩，大家都遇到這個(gè)問(wèn)題洗起來(lái)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(shí)間更長(zhǎng)一點(diǎn)，洗起來(lái)次數(shù)少一點(diǎn)。從打印前端構(gòu)造來(lái)說(shuō)，卸起來(lái)很容易，我的背景學(xué)建筑，所以能夠很快卸下來(lái)很快安裝上，有助于清洗。另外里面有一個(gè)葉片，一拿下來(lái)就要細(xì)，一洗一沖就可以洗好。

第三個(gè)問(wèn)題，這里面有砂子、水泥、添加劑。

李張苗：沒(méi)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(guó)整個(gè)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(gè)問(wèn)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?cè)诤献鬟^(guò)程當(dāng)中這是一個(gè)很關(guān)鍵的步驟，只有通過(guò)它才能把技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化。徐老師這一塊整個(gè)技術(shù)在后續(xù)整個(gè)商業(yè)化里面是怎么考慮的。

徐衛(wèi)國(guó)：目前我們確實(shí)在尋找支持，想把它推向整個(gè)市場(chǎng)，有幾個(gè)想法，一個(gè)是打印大型構(gòu)件，應(yīng)該說(shuō)在各方面已經(jīng)成熟了，自己覺(jué)得可以比較穩(wěn)定的。包括打印技術(shù)，包括了設(shè)計(jì)而且還包括了材料本身，試想這個(gè)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(gè)集成性都可以。


我們終極目標(biāo)還是希望打一個(gè)房子，這是我的夢(mèng)想，一定能夠通過(guò)3D混凝土打印，用最新的房子打印出房屋，像有的公司確實(shí)打印出來(lái)房屋，但是只打印出來(lái)房屋主體結(jié)構(gòu)，因?yàn)榇蛲陦�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(shí)現(xiàn)整個(gè)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(gè)問(wèn)題；第一個(gè)基于剛剛您所展示迷宮項(xiàng)目，我看到在整個(gè)過(guò)程里面會(huì)有人機(jī)協(xié)同的部分，看到在人工送料的部分，我想問(wèn)您的問(wèn)題，是否整個(gè)一體化過(guò)程，未來(lái)在后續(xù)會(huì)有一個(gè)進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化？讓整個(gè)更加連續(xù)性更加完整和整體。

徐衛(wèi)國(guó)：目前還是人操作，泵送現(xiàn)在分開的，推想市場(chǎng)和應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，設(shè)想把這些東西結(jié)合起來(lái)，像混凝土攪拌、泵送這些相對(duì)變成越來(lái)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(guò)程當(dāng)中把這些東西集成起來(lái)，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(jì)的方面進(jìn)一步完善更繼承化，體積耿曉，這確實(shí)是需要進(jìn)一步改進(jìn)。

姚京：第二個(gè)問(wèn)題基于橋的項(xiàng)目，有兩個(gè)小問(wèn)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(gè)工程的話施工造價(jià)是怎么樣的？

徐衛(wèi)國(guó)：目前做這個(gè)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(shì)受壓，把兩者結(jié)合在一塊做了一個(gè)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(jià)確實(shí)便宜了很多，做一個(gè)這么大的橋一般工程造價(jià)（200每公斤），但是我們做下來(lái)（100每公斤），他們聽完以后感覺(jué)很吃驚，因?yàn)榛炷�土這個(gè)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(guó)外進(jìn)口公司壟斷，那個(gè)纖維比較好，攪拌完以后不打堆，國(guó)內(nèi)有一些纖維攪拌以后打堆，表面經(jīng)過(guò)處理一攪拌比較均勻，造價(jià)比較高，如果把這個(gè)省下來(lái)可以更便宜。