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同济大学运用MP材料整体3D打印结构性能化“云亭

发布日期:2017-11-21 11:45

 近日,同济大学协同“创盟国际&一造科技”,首次运用MP材料,在中国 上海临港新城实现了整体3D的结构性能化展亭——“云亭”,并顺利落成。“云亭”采用大 尺度空间打印的方式进行建造,将形体 抽象为空间网格,再进行网格打印建造,其在11Mx11Mx6M大尺度 打印效率和结构性能集成方面具有独特的优势,是非常 具有潜力的建筑三维打印技术方案。

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    项目概况

    项目名称:云亭

    数字与建造团队:同济大学,创盟国际+一造科技

    地点:上海市 浦东新区临港新城港城广场

    装置尺寸:11Mx11Mx6M

    设计时间:2017年7月-2017年8月

    建造时间:2017年9月-2017年10月

    设计团队

    主持设计师:袁烽

    概念设计:袁烽、韩力、高伟哲

    结构性能化设计:陈哲文、柴华、王锦、沈炜

    数字建造:张立名、和四忠、代世龙、陈哲文

    摄影:林边

    “云亭”项目旨 在将建筑结构性能化设计技术与机器人建造结合,并用高 度集成的方式完成并展示出来。“云亭”的设计,运用基 于结构性能分析的拓扑优化算法,通过结 构性能化技术生成建筑形式,然后将 应力分布转变为网格系统,从而得 到变密度的网格形式。同时,在设计 的过程中充分考虑了如何实现单元的机器人空间打印。

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    整个网 络原型单元系统包含疏密不同的五种单元路径,密集的 单元主要用以承受自重荷载,稀疏的 单元主要起到覆盖作用,使得看 似复杂的网络系统在机器人空间打印技术的支持下拥有足够的可行性。基于数 字设计与机器人建造技术的支持,“云亭”展现了 结构性能化分析技术与建筑形式美学的充分融合。

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    由机器 人空间打印工艺制作成的大型展品的建造重点主要在对抽象建筑造型实现结构合理的“物质化”建造,即通过 特定的编程语言生成最有效的空间网格来实现连续建造,力求做 到整体结构最轻、用材最省,大幅度 提升了建造效率且节省了可观的材料开支。今年7月,同济大学完成14米跨度MP三维打印步行桥,使用层 积式三维打印的技术方案。层积式 三维打印方案在整体强度上有优势,但材料 消耗量相对较大,自重较 大的劣势也同时存在。因而此次同济大学对“云亭”的打印,是在进 一步研究中实现了更加结构高效合节材的目标。

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    亭子的 几何原型选定为长度11米、宽度11米、高度约6.0米的复杂曲面,由于该 曲面部分区域的曲率过大且前端悬挑过长,传统的 均质化空间打印法难以打印出这一形态,另外,如此大 尺度的构件在设计阶段还会面临许多结构问题。本设计 团队不满足于空间打印的这个现状,希望寻 找一种新的机器人空间打印工艺,以实现 建筑形态与结构性能完美融合的一体化设计。本设计 对亭子的三维曲面进行结构拓扑优化,从而在 设计初期使建筑结构性能得到了充分的考量。

    综合考 虑机器人作业空间尺寸及适宜的手工操作范围,亭子被划分为35块,每块的长度范围在5-7m,高度范围在1.5-2.5m,并由KUKA机器人

    进行空 间打印加工而成。当遇到 个别曲面曲率过大时,该块还 会被细分为更小的尺寸以满足机器人空间打印的作业要求。

    由于空 间打印对挤出头的出料速度有严格控制,这使得 空间打印速度都远远低于层积打印。本案加工时长为500小时,两套机 器人装备耗时共计21天。机器人 根据导入的编程语言从左至右进行打印,完成第 一排水平方向的打印任务后,再垂直 向上移动至下一排的起点坐标,随后依 次从右至左完成第二排水平方向的打印任务,并按照 此逻辑完成全部体块的打印任务。

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    所有的 构件在工厂预制完成并进行编号、分割打磨,然后分 批运送至现场准备安装。整个安 装搭建过程耗时不到一天,从而实现了快捷、绿色、无污染的安装环境。主要的 搭建过程包括如下步骤:

    1)定位亭子的4个支座坐标,并进行预埋处理;

    2)依靠场 地中准备的脚手架与钢板,固定着地的4块构件;

    3)以已固定的4块构件为出发点,依次开始拼装,并利用 扎带固定相邻两块构件;

    4)完成所有构件拼装后,拆除现场脚手架

    在未来,这种机 器人空间打印技术将在建筑复杂空间结构、异形模板、形体快 速找形等方面拥有广阔应用前景。下一步 研发团队将在材料和工艺的深化和完善以及配套工艺的研发方面进行进一步的探索,将建筑 大尺度空间打印技术推向更为可靠和广泛的产业应用。

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