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    科技释放制造动能3D打印开创桥梁构建新方式

    2019-12-30来源:3D帝国网

      从历史悠久的吊桥、索桥,拱桥,到现代随处可见的立交桥、人行天桥、跨海大桥,桥梁作为现代交通体系的组成部分,在帮助人车顺利通行方面扮演着重要角色。

      在交通不畅之处搭建桥梁,不仅能够大大提高人员、车辆的通行效率,而且能够有效加强多个区域的沟通和联系,并在一定程度上振兴当地的经济。由于桥梁在方便出行和带动经济发展过程中作用明显,世界各国都采取了一系列措施来推动桥梁建筑业的发展。

      如今,越来越多的科技元素应用于桥梁的设计和构建中。时下最具代表性的前沿技术,3D打印在桥梁构建应用中的商业价值日渐凸显,并得到世界各国研究人员的高度认可。

      3D打印桥梁遍及世界各地

      图为:世界上第一座3D打印桥

      历经15年的不断试验之后,世界上第一座3D打印桥于2016年12月在西班牙首都马德里市的一座城市公园里正式揭幕。首座3D打印桥梁的出现,在整个世界桥梁建造史上具有开创性意义,它意味着新兴技术将逐渐融入桥梁建造的过程之中。

      图为:世界上首座3D打印混凝土桥

      2017年10月,由埃因霍恩理工大学的学生和工程公司bam infra设计建造的世界上首座3D打印混凝土桥梁在荷兰南部小镇海默特投入使用。据悉,该桥设有栏杆,能承担多辆卡车的重量。由于桥本身的大小限制,目前该桥可以为过往行人步行或者是骑自行车外出提供便利。

      图为:位于上海智慧湾科创园内的3D打印混凝土步行桥

      2019年1月,目前世界上规模最大的3D打印混凝土步行桥在上海智慧湾科创园落成,标志着我国3D混凝土打印建造技术取得了新的突破。该桥梁工程的打印使用了两台机器臂3D打印系统,共用450小时打印完成全部混凝土构件。

      图为:太空灰整体3D打印的混凝土拱桥

      2019年7月,太空灰3D打印团队宣布完成了全球首座真正意义上整体3D打印的混凝土拱桥,该桥长5.5米,宽2.1米,高1.6米。打印材料是普通425水泥,加上骨料和钢筋,总重量约10吨左右,打印耗时为32小时59分钟。之前荷兰、日本、中国的著名大学等也都有以各种方式进行桥梁的打印,但是有的是打印模块进行拼装,有的只是打印桥的一部分,而这座桥是真正意义上整体3D打印完成的等比例实用桥。

      图为:3D打印赵州桥

      3D打印赵州桥则带来了千年文明与尖端科技的碰撞。河北工业大学副校长兼土木与交通学院院长马国伟,带领其研究团队完成的装配式3D打印赵州桥于2019年10月13日在河北工业大学北辰校区落成。这是目前世界上跨度最长、桥梁总长最长、规模最大的混凝土3D打印桥梁。该桥跨度18.04米、总长28.1米。建造中,按照赵州桥1:2缩尺打印后现场组装。

      3D打印应用于桥梁建造凸显优势

      3D打印桥梁的出现,是前沿科技在桥梁领域的创新性尝试,开创了桥梁建造新方式。根据完整的三维模型数据,通过一个运行程序将材料分层打印输出并逐层叠加,就可以将计算机上的三维模型变为建筑实物。即使每个桥梁形态各异、大小不一,都可以通过一个运行程序来自动构建。

      在采用3D打印建造桥梁的过程中,其较为显著的优点是可缩短桥梁建造周期,并提高建筑材料的利用率。对于建造复杂程度较高的桥梁而言,采用3D打印可以更好地凸显桥梁的细节特征,并最大限度的还原建筑设计师的创意。3D打印技术可以轻松实现材料的连续性不受破坏,同时可以有效保证材料的外观尺寸,避免材料尺寸偏差造成的材料浪费。

      图为:3D打印桥梁

      与此同时,3D打印不需要模板,定型能力强,可塑性好,可打印出任何细节特点与复杂曲面、管道等部件,施工人员可以根据实际情况,在合适的时间采用相应的材料进行房屋或桥梁打印。3D打印就地取材的方式,也能极大地节省桥梁建造的成本,减少不必要的花费。 此外,采用3D打印机等设备进行桥梁建造可以有效降低伤亡事故发生的概率,大量节省人员劳工,从而将施工人员从繁重的体力劳动中解放出来。值得注意的是,在建筑领域借助3D打印技术可以较大程度的实现设计师的创意,流畅的桥梁外形设计对于传统加工手法来说都是较难完成的,而3D打印在桥体设计及建造方面则具有较佳的表现。

      3D打印桥梁的设备和材料

      相对于其他打印物件,桥梁打印属于“大工程”,能够打印桥梁的3D打印机必然也是“庞然大物”。

      图为:太空灰3D打印桥梁的设备

      以上文中提到的太空灰3D打印的整体混凝土桥为例,所使用的建筑3D打印机拥有巨大的体型和喷头,将水泥源源不断的通过喷头挤出,构建建筑体。该打印设备尺寸是10米*5米*5米,最大设计尺寸是50米*15米*15米,可以根据客户需求进行定制。真正应用于市场的设备和现在的实验样机相比,外观和功能都有很大程度的改变。

      图为:Cobod International公司的BOD2 3D打印机

      丹麦公司Cobod International推出过一款名为BOD2的3D打印机,号称是世界上最大的建筑3D打印机。能够打印宽达12米,长27米,高9米的建筑物。而且其模块化方法能够提供客户想要的任何尺寸。该打印机不仅适用于打印桥梁,还能满足房屋打印需求,它将参与到沙特阿拉伯未来十年内建造150万套新房的需求中。

      3D打印桥梁、建筑使用的材料大多为混凝土砂浆,是在传统建筑材料基础上对混凝土材料性能的改进与升华。它的性能在满足现有标准中建筑物对混凝土强度和耐久性能的要求之外,还必须具备满足建筑3D打印工艺要求的性能。建筑3D打印工艺由于是没有模板的堆积成型技术,所以打印材料的可堆积性和在塑型阶段下层材料对逐渐增加的上层材料的承载力是最重要的性能。针对打印材料的凝结时间、强度、工作性、层间粘结性以及工业化生产都有严格要求。

      此外,从经济性和环保性方面来说,它应该满足原材料就地取材,材料成本低,绿色环保等要求。

      随着材料研发领域的进步,除了混凝土砂浆材料,也有新型材料出现在3D打印桥梁中。

      上海普陀区桃浦智创城中央公园安放的乳白色3D打印树脂桥采用“ASA”的工程塑料,并混合一定比例的玻璃纤维、抗老化材料等,具备高耐候性、高抗冲击强度等特点,能承受长期的日晒雨淋,同时又满足3D打印材料和建筑材料的要求。

      图为:采用轻质纤维增强聚合物(FRP)3D打印的人行桥

      由荷兰工程咨询公司Royal HaskoningDHV与材料生产商DSM和大型3D打印机厂商CEAD联手打造的轻质纤维增强聚合物(FRP)人行桥,桥身采用的Arnite材料是玻璃填充的热塑性PET,该材料不仅具有高强度性能,而且还是一种可回收材料,因此提高了桥梁设计的可持续性和多功能性。

      3D打印应用于桥梁构建中遇到的“瓶颈”

      在完善整个交通体系、加快桥梁等基础设施的建设速度,3D打印具有一定可行性,并对传统的桥梁建造工艺产生一定的冲击。 但是目前该技术在桥梁建造领域尚未大规模普及开来,验收标准缺失、技术不够成熟、专业人才缺乏等都对3D打印在桥梁领域的实际应用造成一定阻碍,3D打印桥梁的刚度、强度和耐久性等综合性能也有待进一步验证。

      而且目前可用于3D打印的材料种类还是比较少,力学性能差,制造材料成本较高。加之大型3D打印设备的制造技术欠缺且难以实现批量化生产,从而导致制造成本居高不下。

      这些因素都严重制约了3D打印技术在桥梁建造领域的应用。

      但是,随着科学技术的不断进步,新材料、新制造技术的发明与推广,3D打印将在桥梁施工中大放异彩,并成为桥梁建造的一种重要方式。

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