重慶大學(xué)陳朝暉、張志剛團隊：3D打印混凝土結(jié)構(gòu)：最先進的技術(shù)、挑戰(zhàn)和機遇！

來源：焊接科學(xué)

3D打印混凝土技術(shù)集材料制備、幾何造型、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工于一體，具有綠色、低碳、智能建筑的本質(zhì)優(yōu)勢，近年來得到蓬勃發(fā)展。近日，重慶大學(xué)土木工程學(xué)院陳朝暉教授、張志剛副教授團隊在《Construction and Building Materials》（中科院1區(qū)，Top，影響因子7.4）期刊發(fā)表最新綜述文章“3D printing concrete structures: State of the art, challenges, and opportunities”，對凝混土結(jié)構(gòu)3D打印技術(shù)進行了詳細闡述。陳朝暉教授和張志剛副教授為共同通訊作者。

由于打印材料和打印技術(shù)的特殊性，3D打印混凝土表現(xiàn)出獨特的宏觀各向異性，而目前對3D打印混凝土本構(gòu)關(guān)系的研究還不夠。雖然3D打印混凝土的工程案例眾多，但成熟的結(jié)構(gòu)加固增強方法以及定量的結(jié)構(gòu)承載力分析理論和方法仍有待研究。為了適應(yīng)材料和打印工藝的特定要求，實現(xiàn)材料的高效利用，優(yōu)化設(shè)計對于3D打印混凝土結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。3D打印混凝土優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域目前還處于起步階段。最后，板、殼、梁、拱結(jié)構(gòu)的打印、連接和施工方法為3D打印混凝土結(jié)構(gòu)提供多方面的參考�？偟膩碚f，3D打印混凝土材料和結(jié)構(gòu)的選擇以及結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工都存在問題。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實例，從材料力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)形式、優(yōu)化設(shè)計、連接施工方法四個方面進行綜述。

工作亮點
（1）回顧了3D打印混凝土結(jié)構(gòu)的最新技術(shù)。
（2）描述了3D打印混凝土結(jié)構(gòu)當前面臨的挑戰(zhàn)。
（3）給出了3D打印混凝土結(jié)構(gòu)的未來機遇。

圖1. 3DPC柱的輪廓制作：(a)不規(guī)則空間桁架形柱；(b) 可變截面柱。

圖2. 3DPC同步加固技術(shù).

圖3. 3DPC拱橋：(a)鋼筋混凝土拱橋；(b) 擠壓拱橋。

自1997年提出混凝土3D打印概念以來，人們對3DPC技術(shù)進行了廣泛的研究。在3DPC結(jié)構(gòu)的設(shè)計、優(yōu)化和施工方面的深入知識和豐富經(jīng)驗促使3DPC技術(shù)作為一種施工方法得到有益的使用，這可以減少對材料和工人的需求。論文從材料特性、結(jié)構(gòu)形式、優(yōu)化設(shè)計、連接方式四個方面對3DPC結(jié)構(gòu)進行了全面綜述，并探討了3DPC技術(shù)進一步發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和未來機遇�？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論。

（1）3DPC技術(shù)是一種通過增材制造工藝形成混凝土結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù)。這種特殊的施工技術(shù)導(dǎo)致3DPC的層間和帶間界面處產(chǎn)生初始缺陷，從而降低了3DPC結(jié)構(gòu)的性能。與普通混凝土不同，3DPC在不同荷載方向上的性能并不一致，即各向異性。合適的3DPC混合物應(yīng)同時具備可打印性和強度，這往往需要工程師在設(shè)計材料成分時達到平衡。此外，打印技術(shù)（層間間隔時間和打印速度）和打印噴嘴參數(shù)（高度、形狀和尺寸）也會影響3DPC的機械性能。

（2）與普通結(jié)構(gòu)類似，3DPC結(jié)構(gòu)主要分為兩類：受壓構(gòu)件（墻、柱、拱）和受彎構(gòu)件（梁、板）。受壓構(gòu)件是3DPC結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的形式，因為它可以充分利用混凝土的抗壓性能，而且也更易于分段設(shè)計。對于3DPC的彎曲構(gòu)件，桁架系統(tǒng)適合代替普通的梁結(jié)構(gòu)。此外，傳統(tǒng)的板結(jié)構(gòu)采用肋設(shè)計，可以減輕3DPC結(jié)構(gòu)的自重。另一方面，也提出了適用于3DPC結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)。橫向加固技術(shù)廣泛應(yīng)用于受壓構(gòu)件，而后張加固技術(shù)主要應(yīng)用于受彎構(gòu)件。

（3）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可以利用3DPC的高自由度，以更少的材料實現(xiàn)更好的性能。常用的優(yōu)化方法有基于材料密度的拓撲優(yōu)化和基于邊界條件的拓撲優(yōu)化。彎曲構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計比壓縮構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計更為復(fù)雜。研究表明，矩形網(wǎng)格和桁架網(wǎng)格分別在壓縮和彎曲性能方面具有優(yōu)勢。此外，打印技術(shù)還需要根據(jù)材料特性和結(jié)構(gòu)形式進行優(yōu)化�？傮w而言，結(jié)構(gòu)與印刷技術(shù)的協(xié)同優(yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最終目標。

（4）對于裝配式3DPC結(jié)構(gòu)，構(gòu)件的連接措施是保證結(jié)構(gòu)可靠性的基礎(chǔ)。目前3DPC結(jié)構(gòu)采用的連接方式有后張鋼筋連接方式、機械連接方式、擠壓連接方式等。擠壓連接方式有利于傳遞壓力，常用于拱形或殼結(jié)構(gòu)。受彎構(gòu)件主要采用后張法鋼筋連接方式和機械連接方式。另外，組裝結(jié)構(gòu)中的連接方法也可以參考3DPC結(jié)構(gòu)。

通訊作者
陳朝暉，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師。1998年畢業(yè)于清華大學(xué)土木工程系，獲工學(xué)博士學(xué)位。1998年至今于重慶大學(xué)土木工程學(xué)院任教，2004至06年赴美國普林斯頓大學(xué)土木與環(huán)境工程系作高級訪問學(xué)者。先后獲全國寶鋼優(yōu)秀教師獎、全國徐芝綸力學(xué)優(yōu)秀教師獎、重慶大學(xué)優(yōu)秀教師獎、重慶大學(xué)唐立新優(yōu)秀教師獎及重慶大學(xué)“最受學(xué)生歡迎的老師”。主要研究方向：結(jié)構(gòu)非線性分析理論與方法、隨機場與可靠性理論與應(yīng)用、3D打印混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計原理與方法、城市基礎(chǔ)工程風(fēng)險分析理論與方法。主要成果體現(xiàn)于參數(shù)隨機場下邊坡穩(wěn)定可靠性研究、柔性結(jié)構(gòu)非線性分析方法以及城市地下管網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全性分析與監(jiān)測等方面。主持和主研“十一五”國家重大專項水體污染控制與治理課題、”十三五”高性能鋼結(jié)構(gòu)體系研究與示范應(yīng)用、國家自然科學(xué)基金面上項目、教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項目等在內(nèi)的國家級省部級科研項目十余項，參編國家標準《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標準》，承擔(dān)湖南省郴州市體育中心體育場風(fēng)洞試驗研究、重慶鵝公巖大橋靜力穩(wěn)定性能研究、重慶軌道交通十號線南紀門長江大橋拉索安全性研究等數(shù)項重大工程項目。獲發(fā)明專利5項、計算機軟件著作權(quán)4項。發(fā)表學(xué)術(shù)論文120余篇。出版譯著《隨機場：分析與綜合》（高等教育出版社）、專著《山地城市排水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控預(yù)警理論與應(yīng)用》（科學(xué)出版社），主編教材3部。

張志剛，男，山東省聊城人。博士，副教授，博士生導(dǎo)師。2016年于東南大學(xué)獲得博士學(xué)位，2013.09-2015.09在美國密歇根大學(xué)學(xué)習(xí)交流兩年，師從于ECC材料（一種可彎曲的混凝土）發(fā)明人Victor C. Li教授；主要研究方向為高延性水泥基復(fù)合材料（ECC）及其結(jié)構(gòu)行為。目前已在國內(nèi)外期刊上發(fā)表論文近40余篇，其中40余篇（一作或通訊作者）被SCI收錄；作為 負責(zé)人 主持承擔(dān) 2 項國家自然科學(xué)基金項目；1項十四五國家重點研發(fā)計劃子課題；2 項省部級項目；2 項土木行業(yè)內(nèi)重點實驗室開放課題。

論文引用
Liu D, Zhang Z, Zhang X, et al. 3D printing concrete structures: State of the art, challenges, and opportunities[J]. Construction and Building Materials, 2023, 405: 133364.

https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.133364