一公院党委书记、董事长王学军谈到,中国基础设施建设的核心在于遵循标准化路径。无论身处何方,无论是高速公路还是城市道路,各地的结构物呈现出高度的相似性。随着中国社会的持续发展,人们对美好生活的向往已不再局限于单一模式,而是愈发追求多样化。在这一背景下,3D打印技术恰好能够满足这一需求。未来,随着国家社会的整体进步,在土木行业中,工地无人化、少人化成为必然趋势,而3D打印技术高度契合这一发展方向,是实现智能建造的关键路径,具有广阔的发展前景。
这项技术只需将设计模型输入系统,打印头便如同一位数字泥瓦匠,沿着预设轨迹精准挤出混凝土,层层叠加间,一座建筑便从虚拟图纸跃然成为现实。相较于传统的施工方式,3D打印由于不需要建造模板,能大大缩短建设周期,降低材料和用人成本。
这座造型如水般流动的景观桥便由3D打印技术实现,桥身侧面与立面均为拱形,形成自支撑结构,没有一根传统意义上的桥墩。
对于姚晓飞团队而言,探索3D打印的技术边界有更深远的意义。从2016年成立团队后,姚晓飞和同事们便开始尝试打印一些新建筑。这些建筑既要有实用功能性,同时也要实现个性化定制。这次科技园区的景观桥希望展示交通行业的新兴技术和未来化产业,与姚晓飞团队的创新理念不谋而合。
然而,相较于房屋建筑,桥梁的受力结构要复杂得多。桥梁作为带状建筑,属于线性基础设施,具备跨越特性。其受力状态更为复杂,需要考虑多种因素,诸如桥体跨度、荷载分布、支撑结构等,这些因素相互作用,使得桥梁的力学分析与设计难度远超房屋建筑。
普通的桥梁通常采用高强度混凝土来建造桥墩,保证结构稳定。而3D打印技术则对材料提出了更高的要求,不仅要坚硬,还要有足够的拉伸性。
在土木行业的3D打印中,材料直接影响到建筑的安全性以及打印的可行性。材料的挤出速率、环境温度、装备精度都会影响最终的效果。只有调配出合适的材料才能成功打印。
工程师将各种不同的材料混合在一起,除了固体材料,还有各种液体。这些添加剂的克重误差需要控制在0.1克以内,否则将导致材料发生变化。比例差别会直接影响材料的凝固时间,无论是大尺度景观桥还是小型异形立柱,工程师都需要精准控制材料的配合比,以便控制材料的打印性能。
凝结后的材料试件在压力机的强力挤压下纹丝不动,直到压力超过50兆帕才出现细微的裂纹。对于一座景观桥而言,这样的材料硬度足以支撑桥梁承受的压力。打印材料已经准备就绪,但对于这座流水造型的景观桥而言,最难以实现的造型挑战才刚刚开始。
传统的桥梁设计大都横平竖直,偶有设计巧思,也多在桥梁桥墩上下功夫,但这座景观桥概念先行,双曲面的设计让桥梁的所有构件既有造型功能,又直接承担着桥面及行人的压力。
在传统建筑行业的建造流程中,涉及模板的搭建环节,以常规建筑为例,需先搭建模型外模,稳固后方可向其中浇筑混凝土,从而完成建筑模型的塑造。但在混凝土3D打印过程中,不存在传统意义上的模板,“所见即所得”是其显著优势之一,它可以完全按照设计师的思路精准地呈现出设计之美。
其实早在这座桥梁之前,姚晓飞团队就在一次项目中积累了经验。这是一组3D打印的群组艺术围墙,769根艺术墙柱形状各异,形成一道连续的山脉形状。
在门房部分更具科幻感,各种大曲面构件,形成一座精致的玻璃建筑。非均匀层积技术是这座造型奇特的门房使用的核心技术手段。这座门房的围墙边缘呈波浪形,如果按照常规的3D打印方式,直上直下无法形成这种光滑的波浪边缘。