說到橋梁和混凝土，你會想到隨處可見的巨大實心橋墩和路面，而不會想到空心且結(jié)構(gòu)厚度只有 5 厘米的小型景觀橋。
荷蘭3D打印混凝土在自行車橋結(jié)構(gòu)的系列探索 由創(chuàng)新技術(shù)邁向建造多元形式的橋結(jié)構(gòu)探索
From innovative technology to the exploration of building diverse bridge structures
2017年，位于荷蘭布拉班特的蓋默特地區(qū)建成了世界首座3D打印混凝土自行車橋，是否能夠用3D打印混凝土技術(shù)打印帶有任意形式的支撐結(jié)構(gòu)，是該項目背后留下的持續(xù)思考和探索。秉承著對3D打印混凝土技術(shù)的發(fā)展與開拓，荷蘭在2017年之后一直運用3D打印混凝土技術(shù)完成諸多項目，其中最出彩的莫過于2021年在奈梅亨地區(qū)完成最長（29 米）的3D 打印混凝土橋，荷蘭的團(tuán)隊從未停止對3D打印混凝土技術(shù)的探索與鉆研，而就在今年，北荷蘭又建成了一系列3D打印混凝土橋梁，進(jìn)一步推動了該領(lǐng)域的發(fā)展。
說到橋梁和混凝土，你會想到隨處可見的巨大實心橋墩和路面，而不會想到空心且結(jié)構(gòu)厚度只有 5 厘米的小型景觀橋。這就是北荷蘭 N243 公路上的新型 3D 混凝土打印自行車橋最薄部分的厚度。這座橋長 14.8 米，是目前用這種方法建造的單跨度最長的橋梁。” Weber Beamix 的項目經(jīng)理說：“這是3D打印混凝土承重結(jié)構(gòu)的里程碑。'
圖片©Witteveen+Bos，在最終項目地點附近，北荷蘭橋梁已完成部分連接，并在進(jìn)行了荷載實驗
在現(xiàn)場測試時，項目團(tuán)隊在橋上放置水箱，測試荷載為 1000 公斤/平方米，可觀的測試結(jié)果令項目團(tuán)隊決定于2023年底將四座橋梁投入使用。
#以創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展為動力該系列橋梁的跨度為9至12米，每座橋梁的形狀各不相同，是建設(shè)性 3D 打印混凝土發(fā)展階段性的一步。這一發(fā)展始于2015年，埃因霍溫理工大學(xué)的Theo Salet教授與混凝土制造商Weber Beamix、工程公司W(wǎng)itteveen+Bos、建筑公司BAM等多家公司與投資者一起，開始了 3D打印混凝土的研究。
當(dāng)時，BAM正在實施一個Gemert環(huán)路項目，該項目也需要一座自行車橋，于是他們提出了 3D 打印混凝土技術(shù)。建筑團(tuán)隊目前已在大學(xué)實驗室掌握了 3D 打印混凝土工藝，并著力于研究是否可以使用該技術(shù)創(chuàng)造更豐富的建筑元素。創(chuàng)新是一種驅(qū)動力，同時也是3D打印混凝土技術(shù)在大規(guī)模定制方面的潛力所在，比如橋梁，每個項目對橋梁的需求各不相同：跨度需要更長一些，路面需要更寬一些，某個地方需要特殊的物體。此外，您還可以將材料放置在需要的地方，而不必拘泥于模板，從而節(jié)省了大量模具材料。
圖片©Witteveen+Bos
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#從材料本身思考技術(shù)創(chuàng)新
我們可以從這些開創(chuàng)性的項目中學(xué)到什么呢？
這項技術(shù)可以實現(xiàn)很多東西，關(guān)鍵是要從打印機(jī)、材料及其該技術(shù)提供的可能性等作為出發(fā)點進(jìn)行思考。例如，混凝土的抗壓性能特別好，所以設(shè)計過程中必須充分利用材料抗壓力大的優(yōu)勢，否則將很難探索材料在造型方面的設(shè)計應(yīng)用。
圖片©Witteveen+Bos
Bridge Gemert 在埃因霍溫工業(yè)大學(xué)的壓力凳上
Witteveen + Bos 對位于 Gemert 的橋梁進(jìn)行了設(shè)計和計算，該項目必須在很短的時間內(nèi)完成；這個想法是在春天提出的，這座橋必須在九月完工，在多次的設(shè)計研討會議上，項目團(tuán)隊確定了該座橋梁的設(shè)計與結(jié)構(gòu)原理：許多混凝土打印元件通過預(yù)應(yīng)力相互堆疊，項目組中的專家為了更方便眾人理解，從書架上取下了一摞書進(jìn)行了比較，在空中壓在一起，這樣通過預(yù)先施加的水平方向壓力，這一摞書作為一個整體就保持了穩(wěn)定的懸掛狀態(tài)。
圖片©Witteveen+Bos
隨后，項目團(tuán)隊探討了 3D 打印的可能性和不可能性。例如，不能在尖角處打印，也不能在打印過程中停止。此外，其大學(xué)實驗室的橋式起重機(jī)的最大負(fù)重也十分有限。因此，這座橋是分六個部分打印出來的，而不是像理論上那樣一次性全部打印出來。
圖片©Witteveen+Bos
圖片©Witteveen+Bos
#鋼筋的置入
通過這個概念設(shè)計，Witteveen+Bos 首先在數(shù)字化參數(shù)軟件中進(jìn)行計算，然后使用有限元方法，來計算復(fù)雜建筑元素的強(qiáng)度。工程師們與大學(xué)科研人員一起進(jìn)行了材料方面的測試。布魯爾斯解釋說，所使用的混凝土由砂漿組成，砂漿中混有鋼絲，類似于夾絲玻璃，鋼絲在夾絲玻璃中的作用是為了確保玻璃在碎裂時不會進(jìn)一步粉碎（參考鋼化玻璃）。大學(xué)實驗室使用這種混凝土打印并組裝了一個 1:2 比例的模型，然后對其進(jìn)行加載加壓實驗，并讓研究人員記錄試驗參數(shù)并分析橋梁的受力方式。最后，這些元件按 1:1 打印并運至施工現(xiàn)場，進(jìn)行組裝、預(yù)應(yīng)力、吊裝到位并裝載水箱。2017年10月，世界上第一座3D打印鋼筋混凝土橋梁開通。
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奈梅亨的3D打印混凝土自行車橋有多個支撐點
圖片©BAM
奈梅亨3D打印混凝土自行車橋，由小橫截面
部件組成連接在一起，并承受張力
圖片©Witteveen+Bos
圖片©Witteveen+Bos
#“家族式”橋梁體系
在 2018 年底，北荷蘭省提出了一項請求，要求制造四座自行車橋，作為 N243 公路重建的一部分。出于可持續(xù)發(fā)展的考慮，該省選擇了3D打印混凝土技術(shù)，并在參數(shù)化設(shè)計過程中看到了商機(jī)，他們沒有繪制四座獨立的結(jié)構(gòu)圖，而是設(shè)計了“家族'橋梁，具有圓滑和更多的曲線形狀。在埃因霍溫的實驗室中，首先打印了構(gòu)件，并對計算出的剪切力進(jìn)行了測試，這對整體細(xì)長的形式具有規(guī)范性和決定性作用。這些部件在埃因霍溫的韋伯工廠打印，然后運往北荷蘭。當(dāng)發(fā)現(xiàn)一些構(gòu)件出現(xiàn)毛細(xì)裂縫時，情況一度變得緊張起來，因為這是一個經(jīng)過相當(dāng)繁復(fù)優(yōu)化后的設(shè)計--比奈梅亨的大橋更為關(guān)鍵，項目團(tuán)隊立即對整個項目的所有環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查。
圖片©Witteveen+Bos
北荷蘭 3D 混凝土打印橋梁，其
彎曲部分沿著橋梁長度傾斜
在大學(xué)實驗室進(jìn)行測試后，項目團(tuán)隊得出的結(jié)論是沒有問題，裂縫位于分層處，這是3D打印混凝土可接受范圍內(nèi)的常規(guī)現(xiàn)象，在拼接環(huán)節(jié)施加了預(yù)應(yīng)力后，這些裂縫不會對橋梁的強(qiáng)度與韌性帶來任何影響。2022年末，第一座橋梁在成功完成了3萬公斤水箱的試載后組裝完成。由于第三座橋梁更大（14.8 米），因此，同樣于 2023 年 8 月在現(xiàn)場進(jìn)行了測試。未來
在被問及3D打印混凝土結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展時， Witteveen+Bos 公司提到了為德國的一個建筑展覽會開發(fā)的一座橋梁。
圖片©Witteveen+Bos北荷蘭橋梁在3D打印工廠生產(chǎn)
項目人員介紹到：“我們沒有在單元中打印整個橋梁的橫截面，而是制作了兩個3D打印混凝土側(cè)管，橋面位于中間。這是一個有趣的步驟，因為這樣您就可以在使用更少材料的同時打印大型元件，而且兩側(cè)的側(cè)管在因其3D打印的特殊性成為了兩個獨立的載重結(jié)構(gòu)，成為了橋梁的主要承重體，我在這種建筑系統(tǒng)的組合中看到了未來3D打印混凝土更多的可能性。”
