东南大学从建筑学角度挖掘3D打印混凝土建筑的潜力

| 3DScienceValley · 2022/05/24

“切片舞蹈”Dance of Sections项目是2021年东南大学建筑学院与瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH)数字建筑技术研究所联合研究成果。东南大学运算所的华好副教授团队与ETH的Benjamin Dillenburger教授团队共同开展了“性能化3D打印建筑”研究，并与中国先进增材制造企业合作，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。

本期谷.专栏将分享以上研究的相关成果。

Dance of Sections 空间概念图

独特建筑结构与空间

营造个性化的空间体验

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。

该项目根据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。此外，打印构件的几何形状进行了性能优化，以获得更高效的结构形式。结合预应力后张法，建筑的结构由预制打印的构件装配而成，其构造细节也整合在了打印工艺中。

工厂3D混凝土打印

切片式预制与空间营造

Prefabricated Sections and Space Construction

尽管现有3D混凝土打印工艺具有极大的平面自由度，但它并不利于制造水平或悬挑构件。不过，当水平打印的构件翻转90度后，就可以形成水平的楼板或者悬挑。不同的构件可以组装形成一个建筑的切片，多个切片连续排列就很自然地形成了建筑空间。

由陈智深、殷子衡设计的“切片舞蹈”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体验。建筑的洞口和构造的细节（如地面龙骨，部分家具等）可以一体化3D打印成型，这提升了建造的效率。

空间原型

连续变化的空间体验

拓扑优化与打印路径生成

Topology Optimization and Printing Path Generation

与传统钢筋混凝土相比，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。基于在软件Rhinoceros中python和C#的二次开发，可以实现形状的拓扑优化和材料性能模拟并生成3D混凝土打印的路径和G-code文件。

3D混凝土打印与预应力后张法

3D Concrete Printing and post-tensioning Method

联结多个打印切片的新型建造方式需要考虑诸多因素。首先，每个切片的尺寸、构造需适合混凝土打印机器，所以每个切片被分成四个构件。在打印完成后，特制的速干型混凝土使得构件（也可在工地附近打印）自身具有足够的强度，以便于运输和吊装。

其次，构件组装过程中如何精确的匹配，并避免碰撞导致构件边缘的损伤是一个关键问题。本项目在构件的端部设计了柔和的锯齿形曲面，便于定位安装，且安装到位后不易脱落和损坏。最后，把所有切片用钢索串起后收紧，即采用后张法(post-tensioning)将其连成一个整体结构。由于每个截面是由4个组件组装而成的，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。

后张法建造