發(fā)布日期：2024-09-29 來源: 網絡 閱讀量（）
演講者：Robert J. Flatt 教授，瑞士蘇黎世聯邦理工學院建筑材料研究所建筑材料物理化學教授 RILEM 的使命是推進與建筑材料、系統(tǒng)和結構相關的科學知識，并鼓勵在世界范圍內傳播和應用這些知識。 這一使命是通過包括學者、研究人員、測試實驗室和當局在內的建筑實踐和科學領域的頂尖專家的合作來實現的。 下午好，很高興有機會為 Rylan 舉辦這次關于數字混凝土的網絡研討會。我添加了一個副標題：問題——夢想還是現實？新的綠色或生態(tài)怪物？我將在整個演講中嘗試解決這些問題。 作為概述，我將首先解釋為什么我們會對數字化制造混凝土感興趣，這可以如何實現，面臨的挑戰(zhàn)是什么，以及數字混凝土是否可持續(xù)。 我要提出的第一個觀點是，有許多項目涉及混凝土的數字化制造，其中一些最近展示的項目確實達到了大規(guī)模和相關的應用。為了讓大家了解數字混凝土項目多年來的增長情況，我向大家展示了 Boswell 等人論文中的這張圖表，顯示了該領域項目的指數增長。但我們現在要處理的問題是，為什么我們真的想使用數字化制造，特別是混凝土的數字化制造？ 我會說，如果我們回到最初的動機，這與 CAD 程序有關，使建筑師能夠設計各種新穎有趣且更復雜的結構，但當時沒有能力建造這些結構。問題是，先進的制造和機器人技術能否提供改變這種情況的可能性？機器人技術能否用于建筑行業(yè)的大規(guī)模制造？ 我認為還有一個新的動機，這與可持續(xù)性有關。我想看看這是否可信，以及在什么情況下它可能變得可信。為了研究這個問題，讓我們使用這個非常簡化的方程，認為建造一個結構的總影響與使用的材料量、材料影響和使用壽命有關。 從材料科學的角度來看，我們可以為混凝土降低熟料含量，可以使用回收材料。我相信在城市建設中也有可能使用環(huán)境足跡非常低的材料，但也有許多問題需要解決。使用壽命顯然非常重要，這里材料科學的耐久性是一個需要進一步研究的核心主題。還有設計可重復使用和可回收性的方面。一般來說，制定基于性能的標準顯然非常重要。 在這個領域，數字化制造可以發(fā)揮作用，它涉及智能設計、精益施工，我認為是更好的施工，使用有限的材料資源。我還認為，數字化可以幫助實現更好的結構形狀設計，并計劃可重復使用。所有這些方面實際上是相互關聯的，特別是如果你要改變一種材料，例如用于數字化制造，你肯定不希望它縮短使用壽命。 一個長使用壽命和良好材料設計的例子是我們的參考結構——萬神殿，在那里材料科學和良好的工程設計被有效地使用，導致了這個非常持久的結構。后來，我們有例如劍橋國王學院的這個非常令人印象深刻的拱頂結構，使用最少量的材料，得益于非常聰明的設計，最大化壓縮力，提供了一個僅使用最少量石材的拱頂。 這已經成為許多建筑師的靈感來源，我特別想強調 Pier Luigi Nervi 的工作，這種肋骨地板系統(tǒng)可以看作是一種華夫格結構。這里有趣的是，當時勞動力便宜，材料昂貴，所以這些類型的結構在經濟上是有意義的。然而，今天生產它們的成本很高，因此我們轉向更具成本效益的結構，使用有限的勞動力。 數字化制造的主題是，是否可以通過新的制造工藝復興這些使用有限材料的結構。這是許多現代建筑師的靈感來源，包括 ETH 的 Block 教授，這里你可以看到他設計并實際建造的一個功能性肋骨地板系統(tǒng)的例子，最近在 Empa 的 HiLo 中建造的。 那么這對我們意味著什么呢？正如 Wengler 博士等人在 2019 年 CCR 論文中總結的那樣，對于普通建筑，我們的成本與復雜性關系大致如下，隨著復雜性的增加，成本急劇增加。對于數字化制造，我們從低復雜性元素的較高成本開始，但額外的復雜性幾乎不增加成本，這給了我們一個盈虧平衡點，在此之后，數字化建造變得具有成本效益。 然而，我們必須通過研究降低數字化制造的價格，使這些工藝更有效，在這樣做的過程中，我們將盈虧平衡點向左移動，增加了具有成本效益的結構范圍，使其更具成本效益，使用更少的材料建造。這是研究和開發(fā)預期帶來許多好處的地方。 在了解了數字化制造的動機之后，我想現在概述一下各種數字化制造混凝土的工藝。這里的開創(chuàng)性工作來自南加州大學的 Kosmatka 教授，他提出了輪廓成型工藝。這是一種擠出打印工藝，隨著 Winsun 公司在中國的成就，特別是在 24 小時內打印了 10 棟房屋，并創(chuàng)造了全球轟動，這一工藝真正登上了世界大多數報紙的頭條。從那時起，各種項目已經開發(fā)或正在建設中。這里有埃因霍溫的行人和自行車橋項目，以及我們在埃因霍溫大學的同事們正在進行的房屋開發(fā)項目。 這里是一個為瑞士阿爾卑斯山的舞蹈表演場景打印的異國形狀柱子的例子，這實際上是我們現在正在規(guī)劃的一個 25 米高的塔的概念驗證，具有相當特殊的建筑設計。另一種工藝是粉末床打印，由 Enrico Dini 在建筑領域開創(chuàng)。 粉末床打印由 Enrico Dini 和他的公司 T-shape 在建筑領域開創(chuàng)。其理念是鋪設粉末床，然后用巨大的噴墨打印機在需要粉末硬化的地方噴射液體。一旦完成，移除未固化的粉末，這樣就可以制作出相對非常規(guī)且難以生產的幾何形狀的物體，特別是在懸垂部分。 該工藝已被大規(guī)模用于生產馬德里的這座人行橋。雖然它由鋼結構支撐，但作為首次實現，我認為這是可以接受的。 為了突出粉末床打印所允許的分辨率水平，我想展示這個在巴黎蓬皮杜中心展出的數字怪誕2號，并放大展示其精度。當然，問題是為什么要這樣做？實際上，除了美學原因外，還可以制作由于懸垂或空腔而更復雜的物體，這些情況是我們可能對這種工藝感興趣的地方。 一種選擇是使用這種砂床打印來生產混凝土的模具，結果的形狀如圖所示。這些是 Empa 的 DFAB House 的預應力板的元素，圖中展示了該房屋的照片，歡迎訪問其網站。在這座房屋的一樓內部，有各種使用不同數字化制造工藝生產的混凝土物體。 這里的屋頂模具是通過粉末床打印生產的。這里是所謂的網格模具，機器人用鋼筋創(chuàng)建了一個鋼筋籠，然后填充混凝土。這里的柱子實際上是支撐窗戶的豎框，通過所謂的智能動態(tài)鑄造生產。智能動態(tài)鑄造的第一個版本在這個視頻中展示，隨著機器人向上移動，這部分模具被填充混凝土，一旦混凝土釋放出來，它必須足夠堅固以支撐上面的材料，并且隨著時間的推移，其強度必須增加以承受額外的負荷。 這個過程讓我們想到另一種選擇，即使用非常弱的模具，可以簡單地用可回收塑料進行3D打印。這里展示了一個例子，這種方法的好處是可以生產相對普通的加固系統(tǒng)，工程師容易批準，因此在結構完整性方面，比擠出打印更簡單。我將在后面階段回到結構完整性的概念。 這里展示的這個物體是我們實驗室生產的混凝土柱，用作未來樹形亭的基礎，位于瑞士蘇黎世附近的 Baseline Hoffmann 工程公司翻新總部。同樣的工藝被用于創(chuàng)建這個由三個元素組成的異國預應力結構博魚·體育官網。我喜歡展示這個物體，以強調這種3D打印模具允許我們在混凝土中實現的幾何復雜性。 然而，這種3D打印模具需要時間，你可能會認為它也會產生大量廢料。所以讓我們看看更簡單的系統(tǒng)，幾乎是最便宜的，就是超市里的塑料薄膜。這個視頻展示了我們稱之為添加劑控制數字鑄造的過程，你會看到混凝土被倒入這種不會變形的塑料模具中，因為噴嘴中添加了加速劑，幫助材料在沉積后立即變硬，避免產生任何實質性的靜水壓力。 這將喚醒這組人，喚醒水泥，使其開始水化，增強強度，并能夠支撐新沉積材料上的額外層。這可以通過多種方式完成，可以使用數字鑄造、分層擠出，也可以噴涂涂層。所有這些基本上都依賴于某種程度的混凝土緩凝，具體取決于你是準備大批量還是連續(xù)混合系統(tǒng)。 然后通過混合室，材料被放置，開始水化并增強強度。這一概念基本上是你在各種類型的專利中找到的混合物，我不想深入細節(jié)，只是給你一些參考資料，以防你對此感興趣。 從概念上講，我想向你推薦 Wengler 等人在技術信件中撰寫的參考論文。這里的想法是，我們用混凝土高度來表示混凝土的承載能力。最初，僅通過觸變性，我們只能承載約50到70厘米的高度，具體取決于你如何操作的細節(jié)。但隨后我們有一個時期，材料不會硬化，如果你不采取措施增強強度，所能達到的高度非常有限。 這在視頻中有所展示，當達到特定高度時，下面的材料開始坍塌，額外的層被嘗試性地沉積。因此，我們需要這種設定控制，即我之前定義的按需設定。 開發(fā)數字化制造工藝的問題是如何測量這一點。為此，我想簡要介紹一些工作，特別是在 Lex Writer 的博士論文和準備中的手稿中，我們使用穿透技術，無論是快速還是緩慢，基本上通過推針進入材料的阻力，可以獲得隨時間變化的強度。你會看到穿透深度對結果沒有太大影響，但隨著時間的推移，強度增加，這基本上是我們想要測量的。 你可以只使用一根針，慢慢地推入材料，如果這樣做，你會得到一個可重復的過程，不同混合物的強度隨時間增加，并且可以連續(xù)表征材料的強度增長。這是一種非常有用的方法，我將很快展示一些用途。 最后，我要討論數字混凝土是否可持續(xù)。幾個要點，大多數數字混凝土必須泵送，因此我們必須去除粗骨料，這增加了漿體的體積。此外，由于需要快速增強強度，許多情況下通過降低水泥比來獲得一些強度，這也增加了每單位體積的熟料含量。這種混凝土熟料含量的增加需要通過設計使用更少材料的結構來補償，但熟料過多會使這一點變得更加困難。因此，重要的是在材料上進行工作，例如在這些用于數字化制造的混凝土中加入補充膠凝材料。 這里我想舉一個最近出版物中的例子，我們使用了一種僅含50% OPC 的水泥混合物。你在第一個圖表中看到的是測量，用于指示不同加速劑如何激活該系統(tǒng)的水化。特別是在插圖中，你會看到這些加速劑在早期增強強度方面的能力非常好。 在抗壓強度方面，好消息是使用這些加速劑不會改變2到28天的抗壓強度。因此，我們可以使用這些系統(tǒng)，激活我們的混合水泥，但非常重要的是，這種打印的混合水泥在打印過程中是否穩(wěn)定，答案是肯定的。 我們使用了一種在那篇論文中詳細描述的方法，使用我之前提到的那種測力計測量，定義了根據垂直打印速度所需的強度增長率。通過這些測量，我們基本上可以確定我們的打印材料硬化速度足夠快，可以以非常體面的速度垂直打印柱子。 這里是混合設計的一個例子，這里是打印材料的一些照片，每立方米含300公斤 OPC，非常類似于相對較好的普通混凝土，盡管與高度混合的混凝土相比仍然較高，但與以前用于3D打印混凝土的混合設計相比，減少了超過一倍。 在更廣泛的范圍內，領域中仍然存在許多懸而未決的問題。我們會選擇現場制造還是預制？我們會針對無筋砌體還是鋼筋混凝土？我們會選擇高端結構還是普通建筑？可靠性特別是結構完整性會如何？我強調了在某些工藝中更容易加入普通鋼筋，并且工程師更容易批準。檢查越復雜，解決方案的市場相關性就越低，成本就越高，進入全球市場就越困難。 我強調了為什么許多打印混凝土配方具有高熟料含量，但我也展示了許多改進的可能性。關鍵問題是基準是什么？這種打印混凝土的耐久性是否會改變？它們的環(huán)境足跡是什么？特別是，我們應該如何將其與相關基準進行比較？成本會是多少？如果我們帶著一個非常有威脅的解決方案進入市場，市場會如何反應？普通工藝會適應，我認為這是我們不應忘記的事情。 我告訴我的學生要與眾不同，建造不同，但要建造安全、耐用、環(huán)保且價格合理或足夠便宜的建筑。要解決許多需求，需要許多學科的合作才能成功。因此，我認為跨學科在數字化制造中尤為重要。我想用這張幻燈片來強調這種跨學科的必要性。 特別感謝瑞士國家科學基金會資助了數字化制造國家研究中心，我在整個演講中展示的許多例子都來自該中心。 最后，我想為2018年和2020年的數字混凝土會議提供一些參考資料。這些會議在《水泥與混凝土研究》上有特別期刊，也有會議論文集和許多演講的錄音，特別是特邀和主題演講。 最后，我要強調的是，2022年將在拉夫堡舉行數字混凝土會議，我們期待看到所有社區(qū)成員，并希望有更多熱情的研究人員為這一領域做出貢獻。 深圳市威鍇眾潤建材科技有限公司VICZOOM，立足世界裝飾混凝土工藝技術前沿。聯合相關高校和研究院專家和科研精英。開發(fā)研制出具有自主知識產權的裝飾混凝土造型模具、成像膜等核心產品。打破了裝飾混凝土核心材料被國外公司壟斷的尷尬局面。將博大精深的的中國傳統(tǒng)文化和現代建筑裝飾之間架起一座溝通的橋梁。 我們在傳播裝飾混凝土造型、成像的同時，將國外先進的混凝土制作工藝采集，與大家分享！希望大家能夠喜歡！ 砼畫作為一種綜合了數字處理技術、現代印刷技術、混凝土添加劑技術而誕生的新的建筑裝飾技術和工藝，正踏著移動互聯自媒體爆發(fā)的浪潮。和著裝配式建筑的交響曲。堅實而迅疾的進入建筑領域。改變著我們的生活！ 砼畫能將您想表達的任何合法圖案還原到水泥制品和建筑上，從此，您的建筑與眾不同！圖案具有和建筑同等壽命。環(huán)保安全！是建筑內外裝飾的一次！ 無論您是世界五百強建筑航母、還是市政工程公司、園林景觀公司，或是小型水泥制品企業(yè)。亦或您是建筑設計院、建材研究院，高等院校相關教研室。只要您對混凝土成像市場具有洞察力，深圳市威鍇眾潤建材科技愿意與您攜手，共享這片千億級藍海市場！ 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