东南大学建筑学院(SEU)联合苏黎世联邦理工学院(ETH)研发预应力3D打印建筑技术

来源：东南大学



东南大学建筑学院(SEU)与苏黎世联邦理工学院(ETH)建筑学院有多年持续的科研合作与交流。2021年东南大学建筑学院建筑运算与应用研究所(Inst.AAA)与苏黎世联邦理工学院数字技术研究所(ITA)联合开展“性能化3D打印建筑”教学与科研，并与中国先进增材制造企业合作开展数字建造工作营，从建筑学的角度充分挖掘3D打印混凝土工艺与运算化设计的潜力，取得了阶段性的成果。

SEU-ETH的3D打印学术交流

2021年3月，东南大学建筑学院联合ETH的4位学者举行了国际前沿学术讲座与研讨。



Benjamin Dillenburger教授是高精度3D打印建筑技术的全球领导者，2019年完成了举世瞩目的DFAB House工程项目，成为全球数字建造的范本。Dillenburger教授任数字建筑技术所（DBT）主任，瑞士国家研究能力中心（NCCR DFAB）首席专家。Ana Anton是数字建筑技术组（DBT）研究员，NCCR DFAB成员。她的3D打印作品“混凝土舞蹈”（Concrete Choreography）获得了广泛的国际声誉。Andrei Jipa主要研究领域为拓扑优化与3D打印建筑，尤其是自由曲面模具（Free Formwork）的数字化设计与制造，使大型砂型打印的潜力得到充分发挥。Remy Clémente 的研究方向为运算化设计与数字建造，在巴黎开创了自己的设计事务所，为Hermès、Dior、Nike等品牌做创意设计。        在为期两周的研讨活动中，ETH的学者与运算所的师生探讨了3D打印技术与数字化建筑设计结合的最前沿技术，并对运算所正在进行的设计应用做了技术指导。        

接下来数月的工作营中，运算所的师生在以三维打印为技术手段的建筑设计实践为目标，实现从智能设计到数字建造一体化的数字链生成设计手法，并在工厂尝试1:5构件的实际三维混凝土打印建造，研发了能发挥3D混凝土打印优势的新型建造系统原型。

3D打印切片的智能化设计探索

在工作营完成的众多设计探索中，陈智深&殷子衡团队设计的（切片舞蹈）Dance of Sections项目充分发挥了切片建造方法的可能性，创造了连续变化的室内空间，并充分结合开窗和家具的构造进行一体化3D打印，营造出了极为独特的室内空间体验。         

现有3D混凝土打印工艺具有极大的平面自由度，却不利于制造水平或悬挑构件。但打印构件翻转90度后就可以作为建筑的“切片”。多个切片连续排列就很自然地形成了建筑空间。





Dance of Sections 切片结构空间(陈智深&殷子衡)

3D打印切片的数控建造探索

与传统钢筋混凝土浇筑相比，3D打印切片建造方法的优势在于混凝土材料的拓扑优化（topology optimization）分布，更高效地发挥了混凝土材料的受压性能。




基于Rhinoceros参数化建模软件，利用Grasshopper组件、Python与C#二次开发进行形体优化、性能模拟，并实现3D打印路径生成与G-code数据输出。





混凝土3D打印与后张法预应力建造系统原型探索

在施工中，联结多个切片的新型建造方式考虑了诸多因素。首先，每个切片的尺寸、构造需适合混凝土3D打印，打印完成后自身具有足够的强度，便于运输（也可在工地附近打印），利于现场吊装。



1:5 混凝土3D打印（杭州冠力-建研华测）


1:5 混凝土3D打印切片单元

其次，吊装过程中如何精确定位，并避免碰撞导致构件边缘的损伤是一个关键问题。本项目在构件的边缘设置了柔和的曲面锯齿，不易损伤，便于安装定位，安装到位后不易脱落。




最后把所有切片用钢丝贯穿后收紧，即采用后张法(post-tensioning)预应力连成一个整体。由于每个截面本身也是由4个部分拼接而成的，需兼顾整体与局部的稳定性，因此相邻截面的接缝交错布置。



一百多年来钢筋混凝土工艺促成的多米诺体系（Dom-Ino）塑造了现代主义建筑师的设计思维与手法，而新兴的3D打印混凝土具有极大的平面自由度，并衍生出了现场整体打印、构件预制打印、打印模具等多种施工方式。本次工作营根据3D打印工艺设计了独特的建筑结构与空间，营造了个性化的空间体验，并对几何形状进行性能优化，深化了后张法预应力与构造细部相结合的施工方法。在本研究中获得的成果将在接下来的实践中持续推广与应用。


工作营校企联合科研团队

苏黎世联邦理工学院团队

Benjamin Dillenburger，Ana Anton，Andrei Jipa，Remy Clémente

东南大学建筑学院团队

华好，刘一歌，彭子轩，邵嘉妍，陈榕敬，张子安，赵英豪，杜淦琰，贺思远，姚秀凝，殷子衡，陈智深，王蓓，周洁羽，邓彦，徐维远，李頔 ，沈耿旭，杨鑫超，汪洋，孙宇轩，刘杰，卫沙，王逸玮，谢钰，刘昌睿

技术顾问：潘金龙（土木学院），杨波（东南大学建筑设计研究院），蔺喜强（杭州冠力），赵亮（东南大学建筑设计研究院）

合作企业：基准方中建筑设计有限公司

混凝土3D打印企业：

杭州冠力智能科技有限公司（建研华测）

华创智造(天津)科技有限公司

南京绿色增材智造研究院

厦门智创诚科技有限公司

文字整理：华好、唐芃

信息提供：教师综合党支部