2019年1月12日，目前全球最大規(guī)模的混凝土3D打印步行橋在上海寶山智慧灣落成。該工程由清華大學(xué)(建筑學(xué)院)-中南置地?cái)?shù)字建筑研究中心徐衛(wèi)國教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)、并與上海智慧灣投資管理公司共同建造。
圖1. 從西南側(cè)看橋
該步行橋全長26.3米，寬度3.6米，橋梁結(jié)構(gòu)借取了中國古代趙州橋的結(jié)構(gòu)方式，采用單拱結(jié)構(gòu)承受荷載，拱腳間距14.4米。在該橋梁進(jìn)入實(shí)際打印施工之前，進(jìn)行了1:4縮尺實(shí)材橋梁破壞試驗(yàn)，其強(qiáng)度可滿足站滿行人的荷載要求。
圖2.鳥瞰橋梁
該步行橋的打印運(yùn)用了徐衛(wèi)國教授團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的混凝土3D打印系統(tǒng)技術(shù)，該系統(tǒng)由數(shù)字建筑設(shè)計(jì)，打印路徑生成，操作控制系統(tǒng)，打印機(jī)前端，混凝土材料等創(chuàng)新技術(shù)集成，具有工作穩(wěn)定性好、打印效率快、成型精度高、可連續(xù)工作等特點(diǎn)。該系統(tǒng)在三個(gè)方面具有獨(dú)特的創(chuàng)新性并領(lǐng)先于國內(nèi)外同行，第一為機(jī)器臂前端打印頭，它具有不堵頭、且打印出的材料在層疊過程中不塌落的特點(diǎn)；第二為打印路徑生成及操作系統(tǒng)，它將形體設(shè)計(jì)、打印路徑生成、材料泵送、前端運(yùn)動(dòng)、機(jī)器臂移動(dòng)等各系統(tǒng)連接為一體協(xié)同工作；第三為獨(dú)有的打印材料配方，它具有合理的材性及穩(wěn)定的流變性。
整體橋梁工程的打印用了兩臺機(jī)器臂3D打印系統(tǒng)，共用450小時(shí)打印完成全部混凝土構(gòu)件；與同等規(guī)模的橋梁相比，它的造價(jià)只有普通橋梁造價(jià)的三分之二；該橋梁主體的打印及施工未用模板，未用鋼筋，大大節(jié)省了工程花費(fèi)。
圖3. 打印橋面板
圖4. 打印結(jié)構(gòu)件
圖5. 打印橋欄板
步行橋的設(shè)計(jì)采用了三維實(shí)體建模，橋欄板采用了形似飄帶的造形與橋拱一起構(gòu)筑出輕盈優(yōu)雅的體態(tài)橫臥于上海智慧灣池塘之上；該橋的橋面板采用了腦紋珊瑚的形態(tài)，珊瑚紋之間的空隙填充細(xì)石子，形成園林化的路面。
圖6. 從西北側(cè)看橋
該步行橋橋體由橋拱結(jié)構(gòu)、橋欄板、橋面板三部分組成，橋體結(jié)構(gòu)由44塊0.9*0.9*1.6米的混凝土3D打印單元組成 ，橋欄板分為68塊單元進(jìn)行打印，橋面板共64塊也通過打印制成。這些構(gòu)件的打印材料均為聚乙烯纖維混凝土添加多種外加劑組成的復(fù)合材料，經(jīng)過多次配比試驗(yàn)及打印實(shí)驗(yàn)，目前已具有可控的流變性滿足打印需求；該新型混凝土材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到65mpa，抗折強(qiáng)度達(dá)到15mpa。
該橋預(yù)埋有實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，包括振弦式應(yīng)力監(jiān)控和高精度應(yīng)變監(jiān)控系統(tǒng)，可以即時(shí)收集橋梁受力及變形狀態(tài)數(shù)據(jù)，對于跟蹤研究新型混凝土材料性能以及打印構(gòu)件的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能具有實(shí)際作用。
