建筑工程师利用拓扑优化来突破混凝土3D打印技术的限制

2022年6月22日，南极熊获悉，来自皇家墨尔本理工大学和河北工业大学的工程师们提出了一种新的方法来优化混凝土3D打印建筑的拓扑结构。

据悉，研究团队提出的这种新方法可以对双向打印结构（BESO）进行优化，然后通过连续挤压实现创建独特的自支撑模型。研究人员表示，随着新方法进一步的研发，可以帮助建筑3D打印机用户最大化发挥该技术的优势。

该团队在他们的论文中说："混凝土3D打印（3DCP）和拓扑优化之间的整合使结构上高效的部件的制造不需要昂贵的模板和密集的劳动力。然而，3DCP的制造限制正在阻碍这两个领域之间的整合。在我们的论文中，我们在BESO框架内解决了3DCP的各种制造限制。"

△CyBe的混凝土3D打印机正在在逐层建造建筑物。照片来自CyBe建筑公司。

更详细的研究结果可以他们的论文，题为 "Topologyoptimization for 3D concrete printing with various manufacturing constraints/具有各种制造约束条件的3D混凝土打印的拓扑优化"。这项研究是由毕明浩、PhuongTran、夏凌伟、马国伟和谢毅敏共同撰写的。

相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... 2200375X?via%3Dihub

拓宽拓扑优化技术优势

一般来说，术语 "拓扑优化"被用来描述一种生成设计技术，在这种技术中，数学公式被用来在一个特定的模型中分配材料，以优化其几何形状。通过使用户能够确定在不影响物体性能的情况下可以移除材料的区域，这个过程通常允许迭代出更轻、更强的部件。

在3D打印领域，拓扑优化已经使用了一段时间，Autodesk和nTopology等公司提供定制工具，专门用于增强CAD模型。在更多的实验层面上，列日大学和代尔夫特理工大学的工程师们也开发了一种优化大型3D打印的手段，在此过程中克服了不兼容的问题。

然而，据皇家墨尔本理工大学和河北的研究人员说，现实中拓扑结构优化很难融入建筑3D打印中。他们说，这部分是由于具有紧密悬垂的混凝土建筑容易出现裂缝和收缩，但他们补充说，这也是由于这些打印机中的喷嘴运动和材料供给的分离，这可能导致堵塞。

△可以修改桁架厚度的各种方式。图片来自列日大学。

引入 "BESO "方法

为了克服这种悬空和沉积问题，研究人员提出了一种新的BESO工艺。这个框架涉及使用分层敏感度方案来保证设计在打印方向上的垂直对齐，其方式能够创建自支撑的部件。通过领域分割，该过程还可以将物体分割成可对齐的部分。

通过这样做，新方法基本上允许每个部分被分配一个打印方向，促进了更多可定制的模块化结构模式。除了为混凝土3D打印带来增强的设计过程外，工程师们还开发了一个连续挤压约束，旨在确定最短的可能打印路线，并解锁无节制的沉积。

为了测试他们的方法的有效性，研究人员对其进行了一系列的数值研究，使用悬臂（经常用于验证拓扑优化）作为一个基准。研究小组完善算法后，发现他们能够部署它来迭代生成垂直对齐的物体设计，包括一个拓扑优化的椅子。

虽然这项工作展示了工程师们的方法在创造高质量结构方面的潜力，但他们说，由于喷嘴尺寸的限制，那些低体积分数原料的设计需要进行后期处理。因此，该团队表示，在未来，将应力约束整合到他们的算法中，可以让用户获得更精确的模拟，并实现新的优化的几何形状。

△ICON的3D打印房屋现在已经开始进入住房市场。照片来自ICON公司。

推进混凝土3D打印的发展

混凝土3D打印在行业内被广泛认为是比传统建筑方法更环保、更便宜。尽管赫瑞瓦特大学的一个团队现在对混凝土3D打印和这些拟议的好处表示怀疑，但其他许多地方仍在进行大量研究，以优化该技术的性能。

今年早些时候，南洋理工大学的工程师开发了一种新的可持续的玻璃灌注3D打印材料。他们的新型混凝土使用玻璃取代日益稀缺的天然砂，迄今已成功地建造了一个40厘米高的混凝土长凳，证明它在创建承重结构方面具有潜力。

在新兴的商业建筑3D打印领域，像ICON这样的公司到目前为止很少提及拓扑优化，但仍然设法完成了一些大规模的建设。该公司在2021年出售了其在美国的第一个3D打印房屋，现在已经承诺从今年开始3D打印一个100个房屋的社区。