讲座预告 | 3D打印自由模具与混凝土建造（3D-printed Formwork for Concrete）

讲座：3D打印自由模具与混凝土建造

3D-printed Formwork for Concrete
主讲人

Speaker

Andrei Jipa

ETH Zurich

Andrei Jipa是瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）数字建筑技术组（DBT）研究员，瑞士国家研究能力中心数字建造（NCCR Digital Fabrication）成员，主要研究领域为拓扑优化与3D打印建筑。他曾在谢菲尔德大学和威斯敏斯特大学学习建筑，之后在伦敦成立了数字制造和参数化设计工作室jamD，并在威斯敏斯特大学开设运算化设计（computational design）课程。

目前他的研究课题为功能性混凝土建筑构件的3D打印，尤其是自由曲面模具（Free Formwork）的数字化设计与制造，使大型砂型打印与熔融沉积成型的潜力得到充分发挥。他在NCCR的数字建造项目“智能楼板”（Smart Slab）是世界上第一个具有优秀力学性能的复杂3D打印楼板系统。

讲座简介

Description

智能楼板 Smart Slab

“智能楼板”开创性地使用3D打印模板来浇铸（与喷射）形状复杂的混凝土楼板。3D打印克服了传统模板制造方法的几何限制，并且创造了极其精致而自由的形式。78平方米的楼板分成了11个预制构件，每个构件长7.4米，在现场拼装之后通过拉紧内置的钢索来施加拉力。楼板的几何形状进行了结构优化，悬挑长度达4.5米，整个楼板仅重15吨，与传统实心混凝土板相比减少了近70％的用料。

自主开发的运算化设计工具赋予了Smart Slab合理而精美的几何图形，凹凸起伏的表面具有毫米级的细节，其几何模型有1300万个面构成。传统的制造工艺来无法完成如此复杂的模具，而大型砂型3D打印机可以精确而高效地制造这种复杂几何体。3D打印模具充分考虑了楼板的特殊构造，为电气管道、水管、照明装置、消防喷淋等预留了空间，也为后张紧（post-tensioning）的钢索提供了精确的弯曲孔洞。

混泥土小舟 skelETHon

skelETHon是由3D打印塑料模具制造的混凝土小舟，重114公斤。这艘四米长的船有一个坚固的钢纤维混凝土骨架，表面覆盖着两到三毫米厚的防水混凝土表皮。采用拓扑和形状优化算法进行骨架设计，减少了小舟所需的材料，并最大程度地提高船的刚度。骨架的典型杆件直径约15毫米，在连接处具有复杂的几何形状。为了制作这种特殊的骨架，先采用3d打印技术来制造塑料模板，再浇铸超高性能的纤维增强混凝土骨架。模板上精确的高分辨率表面纹理（细节小至半毫米）转移到混凝土骨架上，增加了与蒙皮的接触面积。

拓扑优化3D打印楼板 Topology optimization & 3D printed Slab

拓扑优化（topology optimization）可以减少结构体的用料但不影响其性能。采用拓扑优化的3D打印楼板展现了具有最佳材料分布的大型建筑构件的可能性。采用二维进化算法，目标是将材料减少四分之一，并将楼板在均匀表面载荷下的变形最小化。边界条件为三个固定支撑。使用喷砂粘合剂（binder-jetting）对优化所得的几何图形进行3D打印，并用稳定树脂加固。与标准实体平板相比，3D打印楼板的用料仅为75％。建筑构件的拓扑优化可以降低材料成本以及建筑项目碳足迹对环境的影响。