清华大学（建筑学院）中南置地数字建筑联合研究中心：上海智慧湾3D打印混凝土桥

2018年11月27-28日，2018增材制造全球创新大赛经过激烈地比拼，36个入围路演复评的项目中，15个具有创新性、市场发展前景的增材制造项目获得了评审专家们的青睐，赢得了终评的入场券。

下面是现场速记，南极熊希望可以很好还原其项目路演过程。
主持人：下面有请清华大学（建筑学院）中南置地数字建筑联合研究中心徐卫国教授带来上海智慧湾3D打印混凝土桥展示。
徐卫国：各位专家、各位同行下午好！

我们提交的项目实际上是3D混凝土打印技术及其应用。上海智慧湾3D混凝土打印桥是一个实际案例在施工过程当中

关于3D打印混凝土从发明以来，世界各地和国内的机构都在深度研发。但是目前比较普及是三个轴打印XYZ三个方向打印，发展到现在3D混凝土打印，打印轴、材料、打印系统遇到了很多的瓶颈问题。这些问题导致了3D混凝土打印目前没有人把它推向建筑工业。遇到这些问题的时候，清华大学和中南置地合作成立了数字建筑联合研究中心，解决这些瓶颈问题，把3D混凝土打印推向实际工程应用。
  
目前为止做3D混凝土打印研发有几个创新；

一、可以空间打印。像第一个项目，从不同的方向进行垂直打印，我们试图从百分之开始能够弯曲打，在空中多维度打印，这样打印自由度增强了。它可以打印更多形式的建筑，或者建筑的构件，能够从不同的角度打印更复杂的建筑构建和建筑。这是我们做一个研发，如何来打印弯曲的构件，实际上用的机械臂协同，这是机械臂打印下面的底座。这个头是我们研发的拼装起来，在市面上进行混凝土的打印，这是打印模拟，这是实际现场打印，有三米直径，两个机械臂相同工作，一个机械臂长度有限，两个机械臂扩大打印范围，更多机械臂可以协作更大尺寸的构件。这是一个弯曲的迷宫，它有弧度。用现在三轴打印机打印不出复杂的构件。

二、前端可以连续作业。3D混凝土打印最大的问题如果混凝土如果太稀的话，打出来不能立住会瘫，太稠的话堵在头里面打不出来，很多家都遇到这些问题。我们针对这个问题做了研发，研发的特点头里面既可以搅拌，可以有挤出的力，通过这种思路，实际上完全解决了堵头的问题。所以前端是研发特点之一，目前也是在混凝土在国际上最领先的地方。

在前端最前头可以替换各种不同口径的喷嘴，挤出的口径不一样的时候，可以换不同口径、不同的形式的喷嘴。

三、研发了一种比较适合于3D打印的材料。这个材料本身既能够打印过程当中有流动性，同时打完以后具有流变性使得形态成形。对于这个材料做了许多次的破坏实验，目前这个材料抗压强度达到70MPA，康折强度达到17MPA。

四、因为我们设计出了形态，这个形态转化成代码和路径，我们研发了分析程序，这个程序告诉你哪些地方是薄弱环节，有可能在成型过程当中会坍塌，有一个极限值，极限值太大的话会倒，在打印之前可以检查形态，是否能够在打印过程当中保证不塌。


基于上面的研发今年在瑞士召开了全世界建筑机器人大会，对于我们陈果给予充分肯定，会议两年一次，每一次发五个奖，其中一个奖发给我，认为我们在技术应用方面取得了目前暂时领先的成绩。发给我一个“建设技术运用奖”，其他奖是科研、设计等等，在技术应用方面，认为我们目前是世界领先的。

在上海3D打印创客大赛当中，上海总共发了三个奖，其中有一个奖发给我们，这个椅子是大尺度、不规则的椅子，通过3D混凝土打印成形的。


3D混凝土打印应用，一个是之前打的艺术品，迷宫花园。另外一个把它应用在上海智慧湾桥梁上，目前这个桥梁构建已经打印完毕，正在装备施工。这是桥的设计方案，桥的跨度是14.4米，整个桥长是27.7米，宽度4米，由三个部分组成；拱的部分。桥的栏板部分，还有桥面板，主要是三个部分，桥的拱四米的宽度分为四条拱，结构构建44块，桥栏板有70块，随着纵向方向切成70块，一边35块，桥面板36块，横向3块，纵向若干块。这是对于结构方案的设计。


为了减轻混凝土的重量，44块每一块里面都是空心的。在结构受理分析的时候考虑了可靠性和稳定性，同时把材料简化了，这是对于位移和硬力的分析。在建设和打印之前，进行了桥梁测试破坏实验，打印过程，打印过程当中用了两台机械臂同时打印，打一块构建了用两台机械臂同时打印，打一块构件是4个小时，这是打印过程。打印块宽度0.9米，高度1.6米，目前这些块已经打印完了，这是在吊装，这是桥面板，结构部分安装的现场。

桥面板是一个飘带形，沿着纵向切成35块，每一块横着打，然后竖着吊装。这是桥面板，里面放土然后再绿化，是一个步行桥有绿化。这是建成之后测试效果，沿着这个方向切成35块，每一块分别打印艳装上去，这是从远处看桥占地面。桥面板可以看出上面有图样墙面板将来要种上绿化。

我的介绍到这里谢谢大家！


李张苗：徐教授其实我向您学习，您是真正专家，我从企业里面从应用角度过来向您请教。徐教授设备有一个XYC三个方向，这是比较少见。我看了两台同时打一个构件，对于两台之间联动工作控制系统要求更高一点。


这个桥一些混凝土的构建都是3D打印，但是主体受力，还是靠钢材承受拉力。一个构件是4个小时，从构件打印完成，一直到桥施工完成大概要多长时间？设备清洗是否方便，有搅拌功能，混凝土凝结时间，一旦工作久的话，如果歇了机器再重新工作的话，歇完机器有一个清洗，清洗是不是很容易或者很方便。


打的混凝土材料，是纯砂浆性质，还是有其他在里面？

徐卫国：这些都是关键性问题。第一个问题桥的受力，刚才看到刚架只是为了装配，做了临时支架，因为它是一个拱，像赵州桥一样，受压力，自己有稳定性可以受力。


第二个问题，确实洗起来比较麻烦，大家都遇到这个问题洗起来不容易，我们的目标让它尽可能少洗连续打印，连续时间更长一点，洗起来次数少一点。从打印前端构造来说，卸起来很容易，我的背景学建筑，所以能够很快卸下来很快安装上，有助于清洗。另外里面有一个叶片，一拿下来就要细，一洗一冲就可以洗好。

第三个问题，这里面有砂子、水泥、添加剂。

李张苗：没有粗滚料，都是细滚料。

颜海军：我们是做园区，跟清华合作比较多，中国整个创新里面，我们跟高校清华、哈工大在3D打印做出很大的贡献，有一个问题，学校好的技术专程商业化应用发挥最大的效率，我们在合作过程当中这是一个很关键的步骤，只有通过它才能把技术应用转化。徐老师这一块整个技术在后续整个商业化里面是怎么考虑的。

徐卫国：目前我们确实在寻找支持，想把它推向整个市场，有几个想法，一个是打印大型构件，应该说在各方面已经成熟了，自己觉得可以比较稳定的。包括打印技术，包括了设计而且还包括了材料本身，试想这个材料可以做成袋装，专门提供给用它进行加工的用户，把添加料作为小袋像方便面一样放在里面，做好配比，进行袋装材料的销售，可以研发前端的销售，整个集成性都可以。


我们终极目标还是希望打一个房子，这是我的梦想，一定能够通过3D混凝土打印，用最新的房子打印出房屋，像有的公司确实打印出来房屋，但是只打印出来房屋主体结构，因为打完墙体以后，房子还有保温防水管道装饰等等，设定的目标要实现整个系统打印，但是是分向的，主体打印之后还有保温的打印，顺便处理。还有地面、屋顶、天花板、管道都依靠3D打印，或者是装配式构件打印，集成在一起形成系统，这是第二步。


目前希望能够尽快推向实际使用，推向建筑工业，比较成熟的打印构件，家具等等，打印房屋还不成熟需要研发。


姚京：我有几个问题；第一个基于刚刚您所展示迷宫项目，我看到在整个过程里面会有人机协同的部分，看到在人工送料的部分，我想问您的问题，是否整个一体化过程，未来在后续会有一个进一步的改进和优化？让整个更加连续性更加完整和整体。

徐卫国：目前还是人操作，泵送现在分开的，推想市场和应用过程当中，设想把这些东西结合起来，像混凝土搅拌、泵送这些相对变成越来越大的机器，现在都是分散的，下一步推向建筑工业过程当中把这些东西集成起来，包括看到的管子还有挂在机械臂上，挺LOW的，需要进一步从产品设计的方面进一步完善更继承化，体积耿晓，这确实是需要进一步改进。

姚京：第二个问题基于桥的项目，有两个小问题，是基于什么原因在桥梁工程当中应用3D打印技术。完成这样一个工程的话施工造价是怎么样的？

徐卫国：目前做这个桥实际上是拱桥受理特点是受压，是沿着拱轴方向受压，混凝土性能优势受压，把两者结合在一块做了一个拱桥，其他形式的桥不一定像现在这种方式进行打印。


造价确实便宜了很多，做一个这么大的桥一般工程造价（200每公斤），但是我们做下来（100每公斤），他们听完以后感觉很吃惊，因为混凝土这个材料普遍使用就是偏移，目前有点贵，贵在哪？是纤维，包括国外进口公司垄断，那个纤维比较好，搅拌完以后不打堆，国内有一些纤维搅拌以后打堆，表面经过处理一搅拌比较均匀，造价比较高，如果把这个省下来可以更便宜。