說(shuō)到橋梁和混凝土，你會(huì)想到隨處可見(jiàn)的巨大實(shí)心橋墩和路面，而不會(huì)想到空心且結(jié)構(gòu)厚度只有 5 厘米的小型景觀橋。
荷蘭3D打印混凝土在自行車(chē)橋結(jié)構(gòu)的系列探索 由創(chuàng)新技術(shù)邁向建造多元形式的橋結(jié)構(gòu)探索
From innovative technology to the exploration of building diverse bridge structures
2017年，位于荷蘭布拉班特的蓋默特地區(qū)建成了世界首座3D打印混凝土自行車(chē)橋，是否能夠用3D打印混凝土技術(shù)打印帶有任意形式的支撐結(jié)構(gòu)，是該項(xiàng)目背后留下的持續(xù)思考和探索。秉承著對(duì)3D打印混凝土技術(shù)的發(fā)展與開(kāi)拓，荷蘭在2017年之后一直運(yùn)用3D打印混凝土技術(shù)完成諸多項(xiàng)目，其中最出彩的莫過(guò)于2021年在奈梅亨地區(qū)完成最長(zhǎng)（29 米）的3D 打印混凝土橋，荷蘭的團(tuán)隊(duì)從未停止對(duì)3D打印混凝土技術(shù)的探索與鉆研，而就在今年，北荷蘭又建成了一系列3D打印混凝土橋梁，進(jìn)一步推動(dòng)了該領(lǐng)域的發(fā)展。
說(shuō)到橋梁和混凝土，你會(huì)想到隨處可見(jiàn)的巨大實(shí)心橋墩和路面，而不會(huì)想到空心且結(jié)構(gòu)厚度只有 5 厘米的小型景觀橋。這就是北荷蘭 N243 公路上的新型 3D 混凝土打印自行車(chē)橋最薄部分的厚度。這座橋長(zhǎng) 14.8 米，是目前用這種方法建造的單跨度最長(zhǎng)的橋梁。” Weber Beamix 的項(xiàng)目經(jīng)理說(shuō)：“這是3D打印混凝土承重結(jié)構(gòu)的里程碑。'
圖片©Witteveen+Bos，在最終項(xiàng)目地點(diǎn)附近，北荷蘭橋梁已完成部分連接，并在進(jìn)行了荷載實(shí)驗(yàn)
在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在橋上放置水箱，測(cè)試荷載為 1000 公斤/平方米，可觀的測(cè)試結(jié)果令項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)決定于2023年底將四座橋梁投入使用。
#以創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展為動(dòng)力該系列橋梁的跨度為9至12米，每座橋梁的形狀各不相同，是建設(shè)性 3D 打印混凝土發(fā)展階段性的一步。這一發(fā)展始于2015年，埃因霍溫理工大學(xué)的Theo Salet教授與混凝土制造商Weber Beamix、工程公司W(wǎng)itteveen+Bos、建筑公司BAM等多家公司與投資者一起，開(kāi)始了 3D打印混凝土的研究。
當(dāng)時(shí)，BAM正在實(shí)施一個(gè)Gemert環(huán)路項(xiàng)目，該項(xiàng)目也需要一座自行車(chē)橋，于是他們提出了 3D 打印混凝土技術(shù)。建筑團(tuán)隊(duì)目前已在大學(xué)實(shí)驗(yàn)室掌握了 3D 打印混凝土工藝，并著力于研究是否可以使用該技術(shù)創(chuàng)造更豐富的建筑元素。創(chuàng)新是一種驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)也是3D打印混凝土技術(shù)在大規(guī)模定制方面的潛力所在，比如橋梁，每個(gè)項(xiàng)目對(duì)橋梁的需求各不相同：跨度需要更長(zhǎng)一些，路面需要更寬一些，某個(gè)地方需要特殊的物體。此外，您還可以將材料放置在需要的地方，而不必拘泥于模板，從而節(jié)省了大量模具材料。
圖片©Witteveen+Bos
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#從材料本身思考技術(shù)創(chuàng)新
我們可以從這些開(kāi)創(chuàng)性的項(xiàng)目中學(xué)到什么呢？
這項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)很多東西，關(guān)鍵是要從打印機(jī)、材料及其該技術(shù)提供的可能性等作為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行思考。例如，混凝土的抗壓性能特別好，所以設(shè)計(jì)過(guò)程中必須充分利用材料抗壓力大的優(yōu)勢(shì)，否則將很難探索材料在造型方面的設(shè)計(jì)應(yīng)用。
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Bridge Gemert 在埃因霍溫工業(yè)大學(xué)的壓力凳上
Witteveen + Bos 對(duì)位于 Gemert 的橋梁進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算，該項(xiàng)目必須在很短的時(shí)間內(nèi)完成；這個(gè)想法是在春天提出的，這座橋必須在九月完工，在多次的設(shè)計(jì)研討會(huì)議上，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)確定了該座橋梁的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)原理：許多混凝土打印元件通過(guò)預(yù)應(yīng)力相互堆疊，項(xiàng)目組中的專家為了更方便眾人理解，從書(shū)架上取下了一摞書(shū)進(jìn)行了比較，在空中壓在一起，這樣通過(guò)預(yù)先施加的水平方向壓力，這一摞書(shū)作為一個(gè)整體就保持了穩(wěn)定的懸掛狀態(tài)。
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隨后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)探討了 3D 打印的可能性和不可能性。例如，不能在尖角處打印，也不能在打印過(guò)程中停止。此外，其大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的橋式起重機(jī)的最大負(fù)重也十分有限。因此，這座橋是分六個(gè)部分打印出來(lái)的，而不是像理論上那樣一次性全部打印出來(lái)。
圖片©Witteveen+Bos
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#鋼筋的置入
通過(guò)這個(gè)概念設(shè)計(jì)，Witteveen+Bos 首先在數(shù)字化參數(shù)軟件中進(jìn)行計(jì)算，然后使用有限元方法，來(lái)計(jì)算復(fù)雜建筑元素的強(qiáng)度。工程師們與大學(xué)科研人員一起進(jìn)行了材料方面的測(cè)試。布魯爾斯解釋說(shuō)，所使用的混凝土由砂漿組成，砂漿中混有鋼絲，類似于夾絲玻璃，鋼絲在夾絲玻璃中的作用是為了確保玻璃在碎裂時(shí)不會(huì)進(jìn)一步粉碎（參考鋼化玻璃）。大學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用這種混凝土打印并組裝了一個(gè) 1:2 比例的模型，然后對(duì)其進(jìn)行加載加壓實(shí)驗(yàn)，并讓研究人員記錄試驗(yàn)參數(shù)并分析橋梁的受力方式。最后，這些元件按 1:1 打印并運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行組裝、預(yù)應(yīng)力、吊裝到位并裝載水箱。2017年10月，世界上第一座3D打印鋼筋混凝土橋梁開(kāi)通。
圖片©Witteveen+Bos
奈梅亨的3D打印混凝土自行車(chē)橋有多個(gè)支撐點(diǎn)
圖片©BAM
奈梅亨3D打印混凝土自行車(chē)橋，由小橫截面
部件組成連接在一起，并承受張力
圖片©Witteveen+Bos
圖片©Witteveen+Bos
#“家族式”橋梁體系
在 2018 年底，北荷蘭省提出了一項(xiàng)請(qǐng)求，要求制造四座自行車(chē)橋，作為 N243 公路重建的一部分。出于可持續(xù)發(fā)展的考慮，該省選擇了3D打印混凝土技術(shù)，并在參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程中看到了商機(jī)，他們沒(méi)有繪制四座獨(dú)立的結(jié)構(gòu)圖，而是設(shè)計(jì)了“家族'橋梁，具有圓滑和更多的曲線形狀。在埃因霍溫的實(shí)驗(yàn)室中，首先打印了構(gòu)件，并對(duì)計(jì)算出的剪切力進(jìn)行了測(cè)試，這對(duì)整體細(xì)長(zhǎng)的形式具有規(guī)范性和決定性作用。這些部件在埃因霍溫的韋伯工廠打印，然后運(yùn)往北荷蘭。當(dāng)發(fā)現(xiàn)一些構(gòu)件出現(xiàn)毛細(xì)裂縫時(shí)，情況一度變得緊張起來(lái)，因?yàn)檫@是一個(gè)經(jīng)過(guò)相當(dāng)繁復(fù)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)--比奈梅亨的大橋更為關(guān)鍵，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)立即對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的所有環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查。
圖片©Witteveen+Bos
北荷蘭 3D 混凝土打印橋梁，其
彎曲部分沿著橋梁長(zhǎng)度傾斜
在大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)得出的結(jié)論是沒(méi)有問(wèn)題，裂縫位于分層處，這是3D打印混凝土可接受范圍內(nèi)的常規(guī)現(xiàn)象，在拼接環(huán)節(jié)施加了預(yù)應(yīng)力后，這些裂縫不會(huì)對(duì)橋梁的強(qiáng)度與韌性帶來(lái)任何影響。2022年末，第一座橋梁在成功完成了3萬(wàn)公斤水箱的試載后組裝完成。由于第三座橋梁更大（14.8 米），因此，同樣于 2023 年 8 月在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試。未來(lái)
在被問(wèn)及3D打印混凝土結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展時(shí)， Witteveen+Bos 公司提到了為德國(guó)的一個(gè)建筑展覽會(huì)開(kāi)發(fā)的一座橋梁。
圖片©Witteveen+Bos北荷蘭橋梁在3D打印工廠生產(chǎn)
項(xiàng)目人員介紹到：“我們沒(méi)有在單元中打印整個(gè)橋梁的橫截面，而是制作了兩個(gè)3D打印混凝土側(cè)管，橋面位于中間。這是一個(gè)有趣的步驟，因?yàn)檫@樣您就可以在使用更少材料的同時(shí)打印大型元件，而且兩側(cè)的側(cè)管在因其3D打印的特殊性成為了兩個(gè)獨(dú)立的載重結(jié)構(gòu)，成為了橋梁的主要承重體，我在這種建筑系統(tǒng)的組合中看到了未來(lái)3D打印混凝土更多的可能性。”
