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(kāi)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(kāi)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(mén)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(xiāo)售,，可以研發(fā)前端的銷(xiāo)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(kāi)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(tīng)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。