装配式混凝土3D打印赵州桥在河北工业大学落成 

2019-10-24 09:12 发布

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来源:中国科学报
10月13日下午,装配式混凝土3D打印赵州桥落成典礼在河北工业大学北辰校区举行。该项目由河北工业大学副校长兼土木与交通学院院长马国伟教授带领研究团队完成。它的建成对我国建筑行业实现绿色化、工业化、智能化的建筑建造,乃至对我国建筑工业化进程具有重要的意义。

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赵州桥位于河北省赵县,距今已有1400多年的历史,是世界上现存最早、保存最好的一座弧形单孔敞肩型石拱桥。无论从结构设计方面还是施工建造、造型美学方面,赵州桥对现代桥梁的科学设计以及合理施工均具有指导意义。

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“这是我们团队按照赵州桥1:2缩尺打印后现场装配式组装的桥,跨度18.04米、桥梁总长28.1米,是目前世界最长跨度装配式混凝土3D打印赵州桥,也是世界上单跨最长的混凝土3D打印桥梁。”马国伟告诉《中国科学报》,研究团队借鉴已建成3D打印建筑的建造经验,采用模块化打印技术并对节点装配形式进行优化设计,在现场直接进行装配式建造。混凝土3D打印是将水泥基复合材料逐层堆叠的无模快速建造过程,相比传统的施工建造,可以节省100%的模板与支撑,37%的建筑材料和64%的人工。适合建造异型的、定制化的结构构件,不因结构的几何复杂程度而增加成本。

记者在现场看到,3D打印的赵州桥矗立在河北工业大学北辰校区东北方向的景观河上,呈灰白色,不时有学生拾级而上、在桥上来往通行。将历经千年的赵州桥与现代化的3D打印相结合,在河北工业大学校园内建造一座装配式3D打印赵州桥,无疑对弘扬河北文化、集成科技创新、促进产教融合、美化校园环境起到积极促进作用。

马国伟表示,在3D打印赵州桥项目中,他带领团队精选特种水泥基复合材料,不断优化原材料矿物化学组成、颗粒细度,所使用材料具有速凝快硬、水化放热低、早期强度高的早龄期材料特性,同时具有优异的低收缩、微膨胀、高抗裂、自修复的长期工作性能。

他们还通过科学设计材料配合比,协调3D打印工艺参数,借助人工神经网络算法量化适用于超大尺寸3D打印的水泥基复合材料的流变特性参数区间,以满足赵州桥主拱的快速打印成型。桥梁的建造过程中同时应用了基于局域共震原理的混凝土超材料,再生玻璃钢纤维混凝土材料,磷酸镁水泥基高强粘结材料等新型高性能混凝土。

据介绍,将BIM数字化模型创建成功运用再3D打印过程中,基于拓扑优化的路径规划算法等虚拟仿真技术,同时应用三维激光扫描技术,生成点云数据,精细化校验3D打印混凝土构件成型精度。借助3D数字化模型,虚拟仿真桥梁的装配建造过程,优选施工建造方案。构件成型后,使用了体外拉索预应力,大大增强了3D打印主拱结构的整体承载性能。

马国伟透露,装配式混凝土3D打印赵州桥同时使用了内嵌式智能传感技术,应用北斗卫星、无人机等空天地一体化健康监测技术,以及物联网云平台集成系统,借助5G无线数据传输为3D打印赵州桥的长期健康监测保驾护航。此外,装配式3D打印赵州桥引入BIM虚拟仿真技术、现代化智能监测手段为传统桥梁赋予现代气息,充分实现设计新型化、材料功能化、施工虚拟化、装配模块化以及监测智能化。

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