東南大學建筑學院(SEU)聯(lián)合蘇黎世聯(lián)邦理工學院(ETH)研發(fā)預應力3D打印建筑技術

來源：東南大學



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

SEU-ETH的3D打印學術交流

2021年3月，東南大學建筑學院聯(lián)合ETH的4位學者舉行了國際前沿學術講座與研討。



Benjamin Dillenburger教授是高精度3D打印建筑技術的全球領導者,，2019年完成了舉世矚目的DFAB House工程項目,，成為全球數(shù)字建造的范本。Dillenburger教授任數(shù)字建筑技術所（DBT）主任,，瑞士國家研究能力中心（NCCR DFAB）首席專家,。Ana Anton是數(shù)字建筑技術組（DBT）研究員，NCCR DFAB成員,。她的3D打印作品“混凝土舞蹈”（Concrete Choreography）獲得了廣泛的國際聲譽,。Andrei Jipa主要研究領域為拓撲優(yōu)化與3D打印建筑，尤其是自由曲面模具（Free Formwork）的數(shù)字化設計與制造,，使大型砂型打印的潛力得到充分發(fā)揮,。Remy Clémente 的研究方向為運算化設計與數(shù)字建造，在巴黎開創(chuàng)了自己的設計事務所,，為Hermès,、Dior、Nike等品牌做創(chuàng)意設計,。        在為期兩周的研討活動中,，ETH的學者與運算所的師生探討了3D打印技術與數(shù)字化建筑設計結合的最前沿技術，并對運算所正在進行的設計應用做了技術指導,。        

接下來數(shù)月的工作營中,，運算所的師生在以三維打印為技術手段的建筑設計實踐為目標，實現(xiàn)從智能設計到數(shù)字建造一體化的數(shù)字鏈生成設計手法,，并在工廠嘗試1:5構件的實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)勢的新型建造系統(tǒng)原型。

3D打印切片的智能化設計探索

在工作營完成的眾多設計探索中,，陳智深&殷子衡團隊設計的（切片舞蹈）Dance of Sections項目充分發(fā)揮了切片建造方法的可能性,，創(chuàng)造了連續(xù)變化的室內空間，并充分結合開窗和家具的構造進行一體化3D打印,，營造出了極為獨特的室內空間體驗,。         

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件,。但打印構件翻轉90度后就可以作為建筑的“切片”。多個切片連續(xù)排列就很自然地形成了建筑空間,。





Dance of Sections 切片結構空間(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)勢在于混凝土材料的拓撲優(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)進行形體優(yōu)化,、性能模擬,，并實現(xiàn)3D打印路徑生成與G-code數(shù)據(jù)輸出,。





混凝土3D打印與后張法預應力建造系統(tǒng)原型探索

在施工中，聯(lián)結多個切片的新型建造方式考慮了諸多因素,。首先,，每個切片的尺寸、構造需適合混凝土3D打印,，打印完成后自身具有足夠的強度,，便于運輸（也可在工地附近打印）,，利于現(xiàn)場吊裝,。



1:5 混凝土3D打印（杭州冠力-建研華測）


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,，并避免碰撞導致構件邊緣的損傷是一個關鍵問題。本項目在構件的邊緣設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)預應力連成一個整體。由于每個截面本身也是由4個部分拼接而成的,，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)代主義建筑師的設計思維與手法,，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)場整體打印、構件預制打印,、打印模具等多種施工方式,。本次工作營根據(jù)3D打印工藝設計了獨特的建筑結構與空間，營造了個性化的空間體驗,，并對幾何形狀進行性能優(yōu)化,，深化了后張法預應力與構造細部相結合的施工方法。在本研究中獲得的成果將在接下來的實踐中持續(xù)推廣與應用,。


工作營校企聯(lián)合科研團隊

蘇黎世聯(lián)邦理工學院團隊

Benjamin Dillenburger,，Ana Anton，Andrei Jipa,，Remy Clémente

東南大學建筑學院團隊

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，姚秀凝,，殷子衡,，陳智深，王蓓,，周潔羽,，鄧彥，徐維遠,，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

技術顧問：潘金龍（土木學院）,，楊波（東南大學建筑設計研究院），藺喜強（杭州冠力）,，趙亮（東南大學建筑設計研究院）

合作企業(yè)：基準方中建筑設計有限公司

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）

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