東南大學(xué)建筑學(xué)院(SEU)聯(lián)合蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH)研發(fā)預(yù)應(yīng)力3D打印建筑技術(shù)

來源：東南大學(xué)



東南大學(xué)建筑學(xué)院(SEU)與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH)建筑學(xué)院有多年持續(xù)的科研合作與交流。2021年?yáng)|南大學(xué)建筑學(xué)院建筑運(yùn)算與應(yīng)用研究所(Inst.AAA)與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院數(shù)字技術(shù)研究所(ITA)聯(lián)合開展“性能化3D打印建筑”教學(xué)與科研，并與中國(guó)先進(jìn)增材制造企業(yè)合作開展數(shù)字建造工作營(yíng)，從建筑學(xué)的角度充分挖掘3D打印混凝土工藝與運(yùn)算化設(shè)計(jì)的潛力，取得了階段性的成果。

SEU-ETH的3D打印學(xué)術(shù)交流

2021年3月，東南大學(xué)建筑學(xué)院聯(lián)合ETH的4位學(xué)者舉行了國(guó)際前沿學(xué)術(shù)講座與研討。



Benjamin Dillenburger教授是高精度3D打印建筑技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，2019年完成了舉世矚目的DFAB House工程項(xiàng)目，成為全球數(shù)字建造的范本。Dillenburger教授任數(shù)字建筑技術(shù)所（DBT）主任，瑞士國(guó)家研究能力中心（NCCR DFAB）首席專家。Ana Anton是數(shù)字建筑技術(shù)組（DBT）研究員，NCCR DFAB成員。她的3D打印作品“混凝土舞蹈”（Concrete Choreography）獲得了廣泛的國(guó)際聲譽(yù)。Andrei Jipa主要研究領(lǐng)域?yàn)橥負(fù)鋬?yōu)化與3D打印建筑，尤其是自由曲面模具（Free Formwork）的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造，使大型砂型打印的潛力得到充分發(fā)揮。Remy Clémente 的研究方向?yàn)檫\(yùn)算化設(shè)計(jì)與數(shù)字建造，在巴黎開創(chuàng)了自己的設(shè)計(jì)事務(wù)所，為Hermès、Dior、Nike等品牌做創(chuàng)意設(shè)計(jì)。        在為期兩周的研討活動(dòng)中，ETH的學(xué)者與運(yùn)算所的師生探討了3D打印技術(shù)與數(shù)字化建筑設(shè)計(jì)結(jié)合的最前沿技術(shù)，并對(duì)運(yùn)算所正在進(jìn)行的設(shè)計(jì)應(yīng)用做了技術(shù)指導(dǎo)。        

接下來數(shù)月的工作營(yíng)中，運(yùn)算所的師生在以三維打印為技術(shù)手段的建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)從智能設(shè)計(jì)到數(shù)字建造一體化的數(shù)字鏈生成設(shè)計(jì)手法，并在工廠嘗試1:5構(gòu)件的實(shí)際三維混凝土打印建造，研發(fā)了能發(fā)揮3D混凝土打印優(yōu)勢(shì)的新型建造系統(tǒng)原型。

3D打印切片的智能化設(shè)計(jì)探索

在工作營(yíng)完成的眾多設(shè)計(jì)探索中，陳智深&殷子衡團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的（切片舞蹈）Dance of Sections項(xiàng)目充分發(fā)揮了切片建造方法的可能性，創(chuàng)造了連續(xù)變化的室內(nèi)空間，并充分結(jié)合開窗和家具的構(gòu)造進(jìn)行一體化3D打印，營(yíng)造出了極為獨(dú)特的室內(nèi)空間體驗(yàn)。         

現(xiàn)有3D混凝土打印工藝具有極大的平面自由度，卻不利于制造水平或懸挑構(gòu)件。但打印構(gòu)件翻轉(zhuǎn)90度后就可以作為建筑的“切片”。多個(gè)切片連續(xù)排列就很自然地形成了建筑空間。





Dance of Sections 切片結(jié)構(gòu)空間(陳智深&殷子衡)

3D打印切片的數(shù)控建造探索

與傳統(tǒng)鋼筋混凝土澆筑相比，3D打印切片建造方法的優(yōu)勢(shì)在于混凝土材料的拓?fù)鋬?yōu)化（topology optimization）分布，更高效地發(fā)揮了混凝土材料的受壓性能。




基于Rhinoceros參數(shù)化建模軟件，利用Grasshopper組件、Python與C#二次開發(fā)進(jìn)行形體優(yōu)化、性能模擬，并實(shí)現(xiàn)3D打印路徑生成與G-code數(shù)據(jù)輸出。





混凝土3D打印與后張法預(yù)應(yīng)力建造系統(tǒng)原型探索

在施工中，聯(lián)結(jié)多個(gè)切片的新型建造方式考慮了諸多因素。首先，每個(gè)切片的尺寸、構(gòu)造需適合混凝土3D打印，打印完成后自身具有足夠的強(qiáng)度，便于運(yùn)輸（也可在工地附近打�。�，利于現(xiàn)場(chǎng)吊裝。



1:5 混凝土3D打�。ê贾莨诹�-建研華測(cè)）


1:5 混凝土3D打印切片單元

其次，吊裝過程中如何精確定位，并避免碰撞導(dǎo)致構(gòu)件邊緣的損傷是一個(gè)關(guān)鍵問題。本項(xiàng)目在構(gòu)件的邊緣設(shè)置了柔和的曲面鋸齒，不易損傷，便于安裝定位，安裝到位后不易脫落。




最后把所有切片用鋼絲貫穿后收緊，即采用后張法(post-tensioning)預(yù)應(yīng)力連成一個(gè)整體。由于每個(gè)截面本身也是由4個(gè)部分拼接而成的，需兼顧整體與局部的穩(wěn)定性，因此相鄰截面的接縫交錯(cuò)布置。



一百多年來鋼筋混凝土工藝促成的多米諾體系（Dom-Ino）塑造了現(xiàn)代主義建筑師的設(shè)計(jì)思維與手法，而新興的3D打印混凝土具有極大的平面自由度，并衍生出了現(xiàn)場(chǎng)整體打印、構(gòu)件預(yù)制打印、打印模具等多種施工方式。本次工作營(yíng)根據(jù)3D打印工藝設(shè)計(jì)了獨(dú)特的建筑結(jié)構(gòu)與空間，營(yíng)造了個(gè)性化的空間體驗(yàn)，并對(duì)幾何形狀進(jìn)行性能優(yōu)化，深化了后張法預(yù)應(yīng)力與構(gòu)造細(xì)部相結(jié)合的施工方法。在本研究中獲得的成果將在接下來的實(shí)踐中持續(xù)推廣與應(yīng)用。


工作營(yíng)校企聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)

Benjamin Dillenburger，Ana Anton，Andrei Jipa，Remy Clémente

東南大學(xué)建筑學(xué)院團(tuán)隊(duì)

華好，劉一歌，彭子軒，邵嘉妍，陳榕敬，張子安，趙英豪，杜淦琰，賀思遠(yuǎn)，姚秀凝，殷子衡，陳智深，王蓓，周潔羽，鄧彥，徐維遠(yuǎn)，李頔 ，沈耿旭，楊鑫超，汪洋，孫宇軒，劉杰，衛(wèi)沙，王逸瑋，謝鈺，劉昌睿

技術(shù)顧問：潘金龍（土木學(xué)院），楊波（東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院），藺喜強(qiáng)（杭州冠力），趙亮（東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院）

合作企業(yè)：基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司

混凝土3D打印企業(yè)：

杭州冠力智能科技有限公司（建研華測(cè)）

華創(chuàng)智造(天津)科技有限公司

南京綠色增材智造研究院

廈門智創(chuàng)誠(chéng)科技有限公司

文字整理：華好、唐芃

信息提供：教師綜合黨支部