清華大學（建筑學院）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（建筑學院）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混凝土打印技術及其應用,。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中

關于3D打印混凝土從發(fā)明以來,，世界各地和國內(nèi)的機構都在深度研發(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混凝土打印推向實際工程應用,。
  
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了。它可以打印更多形式的建筑,，或者建筑的構件,，能夠從不同的角度打印更復雜的建筑構建和建筑。這是我們做一個研發(fā),，如何來打印彎曲的構件,，實際上用的機械臂協(xié)同，這是機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,，兩個機械臂相同工作,，一個機械臂長度有限，兩個機械臂擴大打印范圍,，更多機械臂可以協(xié)作更大尺寸的構件,。這是一個彎曲的迷宮,，它有弧度。用現(xiàn)在三軸打印機打印不出復雜的構件,。

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)特點之一,，目前也是在混凝土在國際上最領先的地方,。

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度達到70MPA，康折強度達到17MPA。

四,、因為我們設計出了形態(tài),，這個形態(tài)轉化成代碼和路徑，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，認為我們在技術應用方面取得了目前暫時領先的成績,。發(fā)給我一個“建設技術運用獎”,，其他獎是科研、設計等等,，在技術應用方面,，認為我們目前是世界領先的。

在上海3D打印創(chuàng)客大賽當中,，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混凝土打印應用,，一個是之前打的藝術品，迷宮花園,。另外一個把它應用在上海智慧灣橋梁上,，目前這個橋梁構建已經(jīng)打印完畢，正在裝備施工,。這是橋的設計方案,，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,，結構構建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。這是對于結構方案的設計,。


為了減輕混凝土的重量,，44塊每一塊里面都是空心的。在結構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。在建設和打印之前,，進行了橋梁測試破壞實驗,，打印過程，打印過程當中用了兩臺機械臂同時打印,，打一塊構建了用兩臺機械臂同時打印,，打一塊構件是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，結構部分安裝的現(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習,，您是真正專家，我從企業(yè)里面從應用角度過來向您請教,。徐教授設備有一個XYC三個方向,，這是比較少見。我看了兩臺同時打一個構件,，對于兩臺之間聯(lián)動工作控制系統(tǒng)要求更高一點,。


這個橋一些混凝土的構建都是3D打印，但是主體受力,，還是靠鋼材承受拉力,。一個構件是4個小時，從構件打印完成,，一直到橋施工完成大概要多長時間,？設備清洗是否方便，有攪拌功能,，混凝土凝結時間,，一旦工作久的話，如果歇了機器再重新工作的話,，歇完機器有一個清洗,，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,，我們的目標讓它盡可能少洗連續(xù)打印,，連續(xù)時間更長一點，洗起來次數(shù)少一點,。從打印前端構造來說,，卸起來很容易，我的背景學建筑,，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,，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，有一個問題,，學校好的技術專程商業(yè)化應用發(fā)揮最大的效率,，我們在合作過程當中這是一個很關鍵的步驟，只有通過它才能把技術應用轉化,。徐老師這一塊整個技術在后續(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,，一個是打印大型構件，應該說在各方面已經(jīng)成熟了,，自己覺得可以比較穩(wěn)定的,。包括打印技術，包括了設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構,，因為打完墻體以后,，房子還有保溫防水管道裝飾等等，設定的目標要實現(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實際使用，推向建筑工業(yè),，比較成熟的打印構件,，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)會有一個進一步的改進和優(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,，推想市場和應用過程當中，設想把這些東西結合起來,，像混凝土攪拌,、泵送這些相對變成越來越大的機器,，現(xiàn)在都是分散的，下一步推向建筑工業(yè)過程當中把這些東西集成起來,，包括看到的管子還有掛在機械臂上,，挺LOW的，需要進一步從產(chǎn)品設計的方面進一步完善更繼承化,，體積耿曉,，這確實是需要進一步改進。

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中應用3D打印技術。完成這樣一個工程的話施工造價是怎么樣的,？

徐衛(wèi)國：目前做這個橋實際上是拱橋受理特點是受壓,，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，目前有點貴,，貴在哪,？是纖維，包括國外進口公司壟斷,，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,。