徐衛(wèi)國(guó)

清華大學(xué)建筑學(xué)院

1 步行橋池塘周邊鳥(niǎo)瞰

2019年1月12日，清華大學(xué)（建筑學(xué)院）-中南置地?cái)?shù)字建筑研究中心運(yùn)用自主研發(fā)的機(jī)器臂3D打印混凝土技術(shù)，在上海寶山智慧灣建成了目前世界規(guī)模最大的混凝土3D打印步行橋1。該步行橋全長(zhǎng)26.3m、寬3.6m，橋梁結(jié)構(gòu)借鑒自中國(guó)古代趙州橋，采用單拱結(jié)構(gòu)承受荷載，拱腳間距14.4m。整體橋梁工程的打印運(yùn)用了兩臺(tái)機(jī)器臂3D打印系統(tǒng)，用時(shí)共計(jì)450h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2/3；同時(shí)，該橋梁主體的打印及施工并未使用模板與鋼筋，大大節(jié)省了工程費(fèi)用。

步行橋位于上海寶山區(qū)智慧灣科技園區(qū)內(nèi)，建造地段北面為科技園區(qū)服務(wù)設(shè)施及大跨度創(chuàng)意空間，東西兩側(cè)均為利用集裝箱建成的辦公區(qū)，南面為黃浦江支流蕰藻浜及其河岸地帶。在建造地段中有一個(gè)南北走向的橢圓形池塘，東西寬度為14.4m，步行橋就架在池塘中央。

1 步行橋設(shè)計(jì)

2017年底，當(dāng)智慧灣科技園陳總通過(guò)微信詢(xún)問(wèn)我是否能用混凝土3D打印一座世界最長(zhǎng)的橋時(shí)，我思考了兩個(gè)小時(shí)，然后非?？隙ǖ鼗卮鹆怂嚎梢浴Ｖ匀绱舜_定地回答，是因?yàn)槲蚁氲搅粟w州橋。

趙州橋建于隋朝開(kāi)皇十一年至開(kāi)皇十九年（公元591～599年）之間，由著名匠師李春設(shè)計(jì)建造，距今已有1 400多年的歷史，是當(dāng)今世界上現(xiàn)存最早、保存最完整的古代單孔敞肩石拱橋。主體結(jié)構(gòu)由8道塊狀石材砌筑的單拱并排而成，能夠屹立千年證明這種結(jié)構(gòu)具有持久穩(wěn)定的受力潛能。塊狀石材在這一結(jié)構(gòu)中主要承受沿拱軸的軸向壓力，恰恰混凝土的最佳材性也是承受壓力，如果通過(guò)3D打印混凝土塊狀構(gòu)件并砌筑成幾道單拱并排，這樣的混凝土砌塊拱形結(jié)構(gòu)也同樣能夠保證良好的受力。正是想到這些，我們承接了這個(gè)帶有研發(fā)性質(zhì)的項(xiàng)目。事實(shí)上，在之后的設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，需要解決一系列難題才能真正實(shí)現(xiàn)這一想法。

2 步行橋平面圖

3 步行橋南側(cè)俯瞰

4 步行橋西北側(cè)看橋體

5 步行橋東西向剖面圖

6 步行橋南北向剖面圖

在確定了使用單孔拱形結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)之后，橋體的造型設(shè)計(jì)成為最重要的內(nèi)容。連接兩岸是橋最基本的功能，它與水緊密相連。更何況，在科技園區(qū)這一特定的地段，既有池塘又有南側(cè)的浦江支流蕰藻浜，再加上科技園的名稱(chēng)“智慧灣”，橋體造型自然地與水聯(lián)系起來(lái)，因而我們將水波紋確定為形態(tài)的原型，最終設(shè)計(jì)的橋欄板也呈現(xiàn)出靈動(dòng)的波紋肌理。步行橋不僅連接了兩岸，也豐富了園區(qū)景觀。從遠(yuǎn)處看，波浪形欄板與池水渾然一體，形似飄帶與橋拱一起構(gòu)筑出輕盈、優(yōu)雅的體態(tài)。事實(shí)上，我們以輕盈舒展的形態(tài)使這座混凝土橋更親近于人，一改混凝土原本給人的沉重堅(jiān)固感。另外，橋面板采用腦紋珊瑚的形態(tài)，珊瑚紋之間的空隙則填充細(xì)石子，形成園林化的路面。

步行橋采用了變量化設(shè)計(jì)與參數(shù)化設(shè)計(jì)相結(jié)合的三維實(shí)體建模方法，在建模過(guò)程中就考慮到建造的可能性，把步行橋整體分成橋拱結(jié)構(gòu)、橋欄板、橋面板三部分，并在三部分之間建立約束進(jìn)行變量化設(shè)計(jì)。橋拱結(jié)構(gòu)作為自變量，其形狀由結(jié)構(gòu)計(jì)算來(lái)決定；橋欄板與橋面板的外輪廓形狀隨橋拱結(jié)構(gòu)形狀的變化而變化；同時(shí)這三部分各自的內(nèi)部形狀又由參數(shù)化模型進(jìn)行設(shè)計(jì)控制。橋拱結(jié)構(gòu)分成4道拱并排，每道拱又分成11塊混凝土構(gòu)件，總共44塊0.9m×0.9m×1.6m的混凝土構(gòu)件單元；橋欄板則分為68塊構(gòu)件單元；橋面板分為64塊構(gòu)件單元，這樣的劃分為后續(xù)的打印工作做了充分準(zhǔn)備。

2 橋體結(jié)構(gòu)

如上所述，步行橋采用混凝土塊材砌筑的單孔拱形結(jié)構(gòu)，最大拱跨為14.4m，由4道單拱并排形成3.6m寬的拱形橋梁主體結(jié)構(gòu)，最大拱高為2.17m；橋面設(shè)計(jì)荷載為均布荷載500kg/m2；拱形主體結(jié)構(gòu)與橋面板之間填充鋼纖維混凝土，同時(shí)起到加強(qiáng)拱形主體結(jié)構(gòu)整體性的作用；為了使混凝土塊材砌筑成拱的施工更高效簡(jiǎn)便，在4道拱兩側(cè)分別設(shè)置了L形鋼作為臨時(shí)支撐，它只能承受混凝土塊材的重量，結(jié)構(gòu)拱成型之后可以拆除。施工的順序?yàn)椋菏紫鹊跹bL形臨時(shí)支撐鋼梁，在其上放置混凝土塊材并用砂漿灌縫；然后，吊裝橋欄板就位并以其作為邊模澆筑鋼纖維混凝土填充層；之后吊裝橋面板，完成整個(gè)步行橋的施工。

在步行橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行了1∶4橋梁模型加賦靜載試驗(yàn)，以預(yù)測(cè)實(shí)際建成橋梁的力學(xué)行為，從而確保安全性。加載方式是在結(jié)構(gòu)的1/4點(diǎn)處施加橫向整幅均布荷載，并布設(shè)位移傳感器來(lái)檢測(cè)結(jié)構(gòu)在荷載作用下的位移變化，同時(shí)在同一截面布置應(yīng)變片對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)過(guò)程中，采用量程500t的千斤頂進(jìn)行加載，加載速率在前8m in為5～8kN/m in，后面11m in為30～40kN/m in，試驗(yàn)共經(jīng)歷19m in將結(jié)構(gòu)模型破壞。試驗(yàn)結(jié)果表明，橋梁在極限荷載狀態(tài)下，最大撓度是21.6mm，最大負(fù)撓度（上撓）為5.3mm，最大壓應(yīng)力為4.63MPa，最大拉應(yīng)力為1.2MPa；橋梁在三倍設(shè)計(jì)荷載狀態(tài)下，最大撓度為8.79mm，最大負(fù)撓度為1.58mm，最大壓應(yīng)力為2.41MPa，最大拉應(yīng)力為0.25MPa。這一試驗(yàn)結(jié)果的位移值與應(yīng)力值與理論計(jì)算值一致，表明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

3 打印系統(tǒng)

步行橋的打印使用了“機(jī)器臂3D打印混凝土系統(tǒng)”，該打印系統(tǒng)由徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)，集成了數(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)，具有工作穩(wěn)定性好、打印效率高、成型精度高、可連續(xù)工作等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)具有獨(dú)特的創(chuàng)新性并在國(guó)內(nèi)外處于領(lǐng)先，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：第一為機(jī)器臂前端打印頭，它兼具攪拌與擠壓推送功能；第二為打印路徑生成及操作系統(tǒng)，它將形體設(shè)計(jì)、合理路徑、泵送、前端、機(jī)器臂運(yùn)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)定的流變性與觸變性。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是全自動(dòng)打印加工，只需兩位技術(shù)人員操作，一人準(zhǔn)備原材料，另一人操作鍵盤(pán)控制打印過(guò)程，從而節(jié)省人力，把工作人員從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)。但目前配料、攪拌、送料過(guò)程還未進(jìn)行自動(dòng)化集成，這些工作還需兩位工人完成。

4 打印材料

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(guò)多次配比及打印試驗(yàn)，目前已具有滿足打印需求的可控材性。在該材料用于實(shí)際構(gòu)件打印之前進(jìn)行了材料的破壞試驗(yàn)，用于試驗(yàn)的試件由該機(jī)器臂系統(tǒng)打印而成，并用機(jī)器切割成表面平整的標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件。測(cè)試抗壓強(qiáng)度的試件為邊長(zhǎng)150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體，試驗(yàn)采用量程為300kN的微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)加載直至破壞，加載速率為0.5MPa/s，試驗(yàn)結(jié)果把壓力最大值/橫截面積作為試件的極限強(qiáng)度，它的抗壓強(qiáng)度達(dá)到65Mpa。測(cè)試抗折強(qiáng)度的試件尺寸為40mm×40mm×160mm，將試件放到跨距為100mm的試驗(yàn)裝置上進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，按照國(guó)標(biāo)規(guī)定的加荷速度加載直至試件破壞，記錄最大破壞荷載，一組三個(gè)試件，并計(jì)算抗折強(qiáng)度，取三個(gè)抗折強(qiáng)度的平均值作為最后的試驗(yàn)結(jié)果，抗折強(qiáng)度達(dá)到15.6Mpa。

7 步行橋模型破壞試驗(yàn)加載圖

8 步行橋模型破壞試驗(yàn)傳感器布置圖

9 步行橋模型破壞試驗(yàn)

10 機(jī)器臂3D打印混凝土系統(tǒng)

11 橋拱結(jié)構(gòu)件打印過(guò)程

12 步行橋欄板打印過(guò)程

13 步行橋面板打印過(guò)程

14 步行橋東南側(cè)景觀

15 步行橋細(xì)部

16 步行橋細(xì)部

5 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

步行橋預(yù)埋有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化的混凝土表面應(yīng)變計(jì)與監(jiān)測(cè)變形的物位計(jì)。在橋體南側(cè)及北側(cè)各選4個(gè)點(diǎn)，分別在橋上及橋下安裝了混凝土表面應(yīng)變計(jì)，從2019年1月15日至2月14日的16個(gè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)顯示，應(yīng)變最大值為-89με（微應(yīng)變）。另外，沿橋中軸布置了6個(gè)物位計(jì)以監(jiān)測(cè)變形，同上時(shí)間段內(nèi)儀器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，累計(jì)最大沉降為6.5mm。通過(guò)這些儀器即時(shí)收集橋梁受力及變形狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)于了解步行橋的安全狀況、跟蹤研究混凝土打印材料的性能具有實(shí)際作用。

6 后記

隨著我國(guó)人口紅利的減退，未來(lái)工程建設(shè)的勞動(dòng)力將越來(lái)越供不應(yīng)求，智能建造將是解決這一問(wèn)題的重要渠道，并將推動(dòng)我國(guó)建筑工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，3D打印作為智能建造的一種重要方式，將對(duì)工程建設(shè)的智能化發(fā)展起到非常積極的推動(dòng)作用。

在混凝土3D打印建造方面仍存在著許多需要解決的瓶頸問(wèn)題，該領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)及實(shí)際應(yīng)用的競(jìng)爭(zhēng)也日益激烈。國(guó)內(nèi)外已有相當(dāng)多的科研機(jī)構(gòu)及建造公司一直致力于這方面的技術(shù)攻關(guān)，但還沒(méi)有真正將其應(yīng)用于實(shí)際工程。步行橋的建成，標(biāo)志著這一技術(shù)從研發(fā)到實(shí)際工程應(yīng)用邁出了具有探索性的一步。

注釋

1據(jù)搜狐網(wǎng)2017年5月13日?qǐng)?bào)道，2016年12月14日在馬德里建成混凝土3D打印的步行橋正式對(duì)公眾開(kāi)放，該橋由加泰羅尼亞先進(jìn)建筑學(xué)院（IAAC）領(lǐng)導(dǎo)建設(shè)，橋長(zhǎng)12m、寬1.75m。另?yè)?jù)中國(guó)檢測(cè)網(wǎng)2017年10月22日?qǐng)?bào)道，2017年10月17日在荷蘭東南部城鎮(zhèn)海默特建成一座3D打印混凝土橋，橋長(zhǎng)8m，主要供自行車(chē)通過(guò)。