3D打印混凝土結構：技術現狀、挑戰和機遇
時間：2023-11-28 11:11 來源：重慶大學土木工程學院陳朝暉課題 作者：admin 閱讀：次
來源：Construction and Building Materials
課題組：重慶大學土木工程學院陳朝暉課題組
3D打印技術集材料制備、結構設計和生產制造于一體，具有無需模具支撐、打印過程高效、模塊化生產等技術優勢。與傳統設計制造工藝相比，3D打印技術的建模自由度大、材料消耗少、環境污染小，適合應用于綠色建筑的智能建造。然而，相比于在醫學、金屬制造和航空航天領域中的成功應用，3D打印技術尚未在土木建筑工程領域廣泛應用。這歸因于除普通混凝土的拉伸/壓縮各向異性外，混凝土打印過程中的逐層堆疊還導致獨特的層間和條間各向異性。為滿足打印所需的流動性和可建造性，該技術也對材料成分、配比以及打印設備功能提出特殊要求。此外，3D打印工藝特點也對傳統加固方法在3D打印混凝土（3DPC）結構中的應用提出了挑戰。
近年來，研究人員在3DPC可打印性、可建造性和力學性能等方面取得重大突破，對3DPC結構的探索和應用已從受壓構件逐步擴展到各種側彎結構。同時，3DPC結構的各種加固方法如輪廓成形技術、鋼筋混凝土共打印方法、鋼絲網布置、后張加固等也得到了發展。目前，3DPC結構施工方式主要分為現場全尺寸打印和預制裝配兩種。由于打印設備限制和結構性能不足，3DPC難以實現現場全尺寸打印，并且3DPC材料和結構性能受周圍環境和打印精度的影響較大。因此，全尺寸3DPC只能用于功能和平面簡單的低層房屋。預制裝配式是指結構構件在室內打印并在施工現場組裝。這樣可嚴格控制打印材料、環境、設備精度。因此，這種施工方式可有效解決工程規模受限、形狀復雜等問題，是3DPC結構發展的必然趨勢。
研究出發點
由于打印材料和打印技術的特殊性，3DPC呈現出獨特的宏觀各向異性。目前，對3DPC本構關系的研究尚不充分。雖然3DPC的工程案例眾多，但成熟的結構加固方法和定量的結構承載力分析理論和方法仍有待研究。3DPC優化設計領域還處于起步階段。3DPC結構的工程應用存在以下關鍵問題亟待解決：材料力學性能的定量描述、加固方法、高效合理的結構優化設計以及可行的連接施工方法
研究內容
本文旨在對3DPC的研究現狀進行梳理和分析，探討目前存在的技術難點以及未來的發展趨勢，為進一步研究3DPC結構提供參考。本文從4個方面綜述了3DPC結構的研究現狀：
1）材料的力學性能和本構關系；
2）結構形式及其加固方法；
3）3DPC結構的優化設計；
4）打印模塊的連接。
主要結論
本文從材料性能、結構形式、優化設計和連接方式共4個方面對3DPC結構進行了全面綜述，并探討了3DPC技術進一步發展所面臨的挑戰和機遇。主要結論如下：
（1）3DPC技術是一種通過增材制造工藝形成混凝土結構的3D打印技術。這種特殊的制造工藝導致3DPC層間和條間界面出現初始缺陷，從而降低3DPC結構的性能。與普通混凝土不同，3DPC存在各向異性。工程師需在設計材料成分時進行平衡，以使其同時具備可打印性和力學性能。此外，打印工藝（層間間隔時間和打印速度）和打印噴嘴參數（高度、形狀和尺寸）也會影響3DPC的力學性能。
（2）與普通結構類似，3DPC結構主要分為兩類：抗壓構件（墻、柱和拱）和抗彎構件（梁和板）。受壓構件是應用最廣泛的3DPC結構形式，歸因于其可充分利用混凝土抗壓性能，更容易進行截面設計。對于3DPC抗彎構件，桁架系統適合取代普通梁結構。此外，傳統的板結構設計有肋條，而3DPC結構可減輕這部分自重。另一方面，適合3DPC結構的加固技術也被提出。橫向加固技術廣泛用于受壓構件，而后張加固技術主要用于受彎構件。
（3）結構優化設計可利用3DPC的高自由度優勢，以較少材料獲得更優性能。常用優化方法有基于材料密度和基于邊界條件的拓撲優化。與抗壓構件相比，抗彎構件優化設計更為復雜。研究表明，矩形網格和桁架網格分別在抗壓和抗彎性能方面具有優勢。此外，打印技術也需根據材料性能和結構形式進行優化。總之，結構與打印技術的協同優化是結構優化的最終目標。
（4）對于預制3DPC結構而言，構件的連接措施是確保結構可靠性的基礎。目前，用于3DPC結構的連接方式有后張法鋼筋連接、機械連接和擠壓連接。擠壓連接有利于傳遞壓力，常用于拱形或殼體結構；后張法鋼筋連接和機械連接主要用于抗彎構件。此外，3DPC結構的連接方式還可參考裝配式結構。
課題組：重慶大學土木工程學院陳朝暉課題組
3D打印技術集材料制備、結構設計和生產制造于一體，具有無需模具支撐、打印過程高效、模塊化生產等技術優勢。與傳統設計制造工藝相比，3D打印技術的建模自由度大、材料消耗少、環境污染小，適合應用于綠色建筑的智能建造。然而，相比于在醫學、金屬制造和航空航天領域中的成功應用，3D打印技術尚未在土木建筑工程領域廣泛應用。這歸因于除普通混凝土的拉伸/壓縮各向異性外，混凝土打印過程中的逐層堆疊還導致獨特的層間和條間各向異性。為滿足打印所需的流動性和可建造性，該技術也對材料成分、配比以及打印設備功能提出特殊要求。此外，3D打印工藝特點也對傳統加固方法在3D打印混凝土（3DPC）結構中的應用提出了挑戰。
近年來，研究人員在3DPC可打印性、可建造性和力學性能等方面取得重大突破，對3DPC結構的探索和應用已從受壓構件逐步擴展到各種側彎結構。同時，3DPC結構的各種加固方法如輪廓成形技術、鋼筋混凝土共打印方法、鋼絲網布置、后張加固等也得到了發展。目前，3DPC結構施工方式主要分為現場全尺寸打印和預制裝配兩種。由于打印設備限制和結構性能不足，3DPC難以實現現場全尺寸打印，并且3DPC材料和結構性能受周圍環境和打印精度的影響較大。因此，全尺寸3DPC只能用于功能和平面簡單的低層房屋。預制裝配式是指結構構件在室內打印并在施工現場組裝。這樣可嚴格控制打印材料、環境、設備精度。因此，這種施工方式可有效解決工程規模受限、形狀復雜等問題，是3DPC結構發展的必然趨勢。
研究出發點
由于打印材料和打印技術的特殊性，3DPC呈現出獨特的宏觀各向異性。目前，對3DPC本構關系的研究尚不充分。雖然3DPC的工程案例眾多，但成熟的結構加固方法和定量的結構承載力分析理論和方法仍有待研究。3DPC優化設計領域還處于起步階段。3DPC結構的工程應用存在以下關鍵問題亟待解決：材料力學性能的定量描述、加固方法、高效合理的結構優化設計以及可行的連接施工方法
研究內容
本文旨在對3DPC的研究現狀進行梳理和分析，探討目前存在的技術難點以及未來的發展趨勢，為進一步研究3DPC結構提供參考。本文從4個方面綜述了3DPC結構的研究現狀：
1）材料的力學性能和本構關系；
2）結構形式及其加固方法；
3）3DPC結構的優化設計；
4）打印模塊的連接。
主要結論
本文從材料性能、結構形式、優化設計和連接方式共4個方面對3DPC結構進行了全面綜述，并探討了3DPC技術進一步發展所面臨的挑戰和機遇。主要結論如下：
（1）3DPC技術是一種通過增材制造工藝形成混凝土結構的3D打印技術。這種特殊的制造工藝導致3DPC層間和條間界面出現初始缺陷，從而降低3DPC結構的性能。與普通混凝土不同，3DPC存在各向異性。工程師需在設計材料成分時進行平衡，以使其同時具備可打印性和力學性能。此外，打印工藝（層間間隔時間和打印速度）和打印噴嘴參數（高度、形狀和尺寸）也會影響3DPC的力學性能。
（2）與普通結構類似，3DPC結構主要分為兩類：抗壓構件（墻、柱和拱）和抗彎構件（梁和板）。受壓構件是應用最廣泛的3DPC結構形式，歸因于其可充分利用混凝土抗壓性能，更容易進行截面設計。對于3DPC抗彎構件，桁架系統適合取代普通梁結構。此外，傳統的板結構設計有肋條，而3DPC結構可減輕這部分自重。另一方面，適合3DPC結構的加固技術也被提出。橫向加固技術廣泛用于受壓構件，而后張加固技術主要用于受彎構件。
（3）結構優化設計可利用3DPC的高自由度優勢，以較少材料獲得更優性能。常用優化方法有基于材料密度和基于邊界條件的拓撲優化。與抗壓構件相比，抗彎構件優化設計更為復雜。研究表明，矩形網格和桁架網格分別在抗壓和抗彎性能方面具有優勢。此外，打印技術也需根據材料性能和結構形式進行優化。總之，結構與打印技術的協同優化是結構優化的最終目標。
（4）對于預制3DPC結構而言，構件的連接措施是確保結構可靠性的基礎。目前，用于3DPC結構的連接方式有后張法鋼筋連接、機械連接和擠壓連接。擠壓連接有利于傳遞壓力，常用于拱形或殼體結構；后張法鋼筋連接和機械連接主要用于抗彎構件。此外，3DPC結構的連接方式還可參考裝配式結構。
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