面向混凝土3D打印的拓撲優(yōu)化設計

來源：來源于RMIT 創(chuàng)新結構與材料中心

作者：畢明昊、Jonathan Tran,、夏令偉、馬國偉、謝億民
單位：皇家墨爾本理工大學,、河北工業(yè)大學

在當前人力成本不斷提高,、勞動力越發(fā)緊張的形勢下, 如何使用智能化建造技術來縮短工期,、減少工業(yè)廢料、降低人力成本成為了建筑行業(yè)的焦點�,；炷���3D打印(3D concrete printing, 3DCP)將增材制造技術與前沿材料工藝相結合, 使用逐層堆積的方式進行三維布料, 實現(xiàn)了免模板施工,。通過結合數(shù)字建模、無模化,、裝配式施工，混凝土3D打印減低了復雜結構的施工難度與成本, 為拓撲優(yōu)化應用于建筑設計提供了途徑,。然而,，傳統(tǒng)拓撲優(yōu)化設計通常由于無法直接滿足混凝土3D打印的各種要求,，而導致打印效率低,、質量差,、甚至打印失敗,。謝億民院士團隊近日發(fā)表在增材制造領域國際頂級期刊《AdditiveManufacturing》的論文對該問題進行了深入研究,，提出了一種面向混凝土3D打印的拓撲優(yōu)化新算法, 在保持設計結構性能的同時提高了整體打印質量與效率。

謝億民院士團隊在其首創(chuàng)的雙向漸進結構優(yōu)化（Bi-directional Evolutionary Structural Optimization, BESO）技術的基礎上,，將以下四種施工約束引入設計流程中：

• 豎向自支撐（Self-support）約束
• 橫向一筆畫（Continuous extrusion）約束
• 裝配式設計（Modular construction）約束
• 橫向各向同性（Tranverse isotropic）約束
  

豎向自支撐約束確保了設計的豎向連續(xù)性,，每一打印層均可以有效支撐下一打印層。優(yōu)化設計因此避免了懸挑,，實現(xiàn)了自支撐打印,。
橫向一筆畫約束確保了設計的橫向連續(xù)性，每一打印層均為連續(xù)閉合結構,。配合團隊在前期工作中提出的一筆畫路徑算法，打印可實現(xiàn)全局連續(xù),，有效提高了打印效率與質量,。
裝配式設計約束允許設計者將設計區(qū)域劃分為不同模塊。每一模塊可根據(jù)其功能或尺寸采用不同角度打印,，以提高整體打印效率,。
橫向各向同性約束考慮了混凝土3D打印不同方向上的材料強度差異，以提高優(yōu)化結果的準確性,。

△ 圖一：懸臂梁設計域


△ 圖二：將設計域分為兩個裝配式模塊后獲得的優(yōu)化結果：（a）以圖形中心線為打印底板,，向左右兩側打印（b）以圖形兩側為打印底板,，向中心線打印

研究團隊以圖一所示的經典懸臂梁為算例進行了優(yōu)化設計,。以XZ平面為對稱面，設計域被劃分為兩個裝配式模塊,。圖二a和b采用不同打印方向：
a：以圖形中心線為打印底板,，每個模塊向外側打印
b：以圖形外側為打印底板，每個模塊向中心線打印

圖二中的優(yōu)化結果滿足了施工約束,，確保了每個模塊在豎向和橫向上的連續(xù)性,。相較傳統(tǒng)BESO優(yōu)化結果,，增加約束后的設計在整體剛度上保持一致，保證了結構的高效性,。在此之上,，優(yōu)化結果可使用一筆畫算法規(guī)劃路徑，確保高效不間斷打印,。

△ 圖三：使用一筆畫算法對優(yōu)化結果進行路徑規(guī)劃

研究團隊使用新算法對圖四中的座椅進行了優(yōu)化設計,。為了滿足功能需求，我們將座椅表面規(guī)定為非設計域,，并對內部傳力區(qū)域進行優(yōu)化,。為了增加打印效率，團隊以XZ平面為對稱軸將設計域劃分為兩個裝配式模塊,，獲得了圖五所示的優(yōu)化結果,。配合一筆畫路徑算法，每個模塊在打印中均實現(xiàn)了自支撐連續(xù)打印,，最終完成了圖六所示的拓撲優(yōu)化混凝土3D打印座椅,。

△ 圖四：拓撲優(yōu)化座椅設計域


△ 圖五：優(yōu)化結果：（左）單一裝配式模塊（右）雙模塊拼接后結果；為了展現(xiàn)內部細節(jié),，圖中一側透明


△ 圖六：混凝土3D打印結果：（a）拼裝前單一裝配式模塊（b）拼裝后整體結果

該研究提出了面向混凝土3D打印的拓撲優(yōu)化新方法,，可應用于智能化建筑設計。

本研究課題由博士生畢明昊完成主要工作,，經謝億民院士和JonathanTran博士悉心指導,，并獲得河北工業(yè)大學馬國偉教授、博士生夏令偉對混凝土3D打印實驗提供的指導與幫助,。該項研究工作已發(fā)表在《Additive Manufacturing》期刊上 (Q1, 影響因子:10.998),。

論文原文：M. Bi, P. Tran, L. Xia, G. Ma, Y.M. Xie, Topology optimization for 3D concrete printing with various manufacturing constraints, Additive Manufacturing 57 (2022) 102982. https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102982.