重慶大學陳朝暉、張志剛團隊：3D打印混凝土結構：最先進的技術、挑戰和機遇！
時間：2024-02-19 10:12 來源：焊接科學 作者：admin 閱讀：次
3D打印混凝土技術集材料制備、幾何造型、結構設計、施工于一體，具有綠色、低碳、智能建筑的本質優勢，近年來得到蓬勃發展。近日，重慶大學土木工程學院陳朝暉教授、張志剛副教授團隊在《Construction
and Building Materials》（中科院1區，Top，影響因子7.4）期刊發表最新綜述文章“3D printing
concrete structures: State of the art, challenges, and
opportunities”，對凝混土結構3D打印技術進行了詳細闡述。陳朝暉教授和張志剛副教授為共同通訊作者。
由于打印材料和打印技術的特殊性，3D打印混凝土表現出獨特的宏觀各向異性，而目前對3D打印混凝土本構關系的研究還不夠。雖然3D打印混凝土的工程案例眾多，但成熟的結構加固增強方法以及定量的結構承載力分析理論和方法仍有待研究。為了適應材料和打印工藝的特定要求，實現材料的高效利用，優化設計對于3D打印混凝土結構至關重要。3D打印混凝土優化設計領域目前還處于起步階段。最后，板、殼、梁、拱結構的打印、連接和施工方法為3D打印混凝土結構提供多方面的參考�？偟膩碚f，3D打印混凝土材料和結構的選擇以及結構的設計和施工都存在問題。在此基礎上，結合工程實例，從材料力學性能、結構形式、優化設計、連接施工方法四個方面進行綜述。
工作亮點
（1）回顧了3D打印混凝土結構的最新技術。
（2）描述了3D打印混凝土結構當前面臨的挑戰。
（3）給出了3D打印混凝土結構的未來機遇。
自1997年提出混凝土3D打印概念以來，人們對3DPC技術進行了廣泛的研究。在3DPC結構的設計、優化和施工方面的深入知識和豐富經驗促使3DPC技術作為一種施工方法得到有益的使用，這可以減少對材料和工人的需求。論文從材料特性、結構形式、優化設計、連接方式四個方面對3DPC結構進行了全面綜述，并探討了3DPC技術進一步發展面臨的挑戰和未來機遇�？梢缘贸鲆韵陆Y論。
（1）3DPC技術是一種通過增材制造工藝形成混凝土結構的3D打印技術。這種特殊的施工技術導致3DPC的層間和帶間界面處產生初始缺陷，從而降低了3DPC結構的性能。與普通混凝土不同，3DPC在不同荷載方向上的性能并不一致，即各向異性。合適的3DPC混合物應同時具備可打印性和強度，這往往需要工程師在設計材料成分時達到平衡。此外，打印技術（層間間隔時間和打印速度）和打印噴嘴參數（高度、形狀和尺寸）也會影響3DPC的機械性能。
（2）與普通結構類似，3DPC結構主要分為兩類：受壓構件（墻、柱、拱）和受彎構件（梁、板）。受壓構件是3DPC結構中應用最廣泛的形式，因為它可以充分利用混凝土的抗壓性能，而且也更易于分段設計。對于3DPC的彎曲構件，桁架系統適合代替普通的梁結構。此外，傳統的板結構采用肋設計，可以減輕3DPC結構的自重。另一方面，也提出了適用于3DPC結構的加固技術。橫向加固技術廣泛應用于受壓構件，而后張加固技術主要應用于受彎構件。
（3）結構優化設計可以利用3DPC的高自由度，以更少的材料實現更好的性能。常用的優化方法有基于材料密度的拓撲優化和基于邊界條件的拓撲優化。彎曲構件的優化設計比壓縮構件的優化設計更為復雜。研究表明，矩形網格和桁架網格分別在壓縮和彎曲性能方面具有優勢。此外，打印技術還需要根據材料特性和結構形式進行優化�？傮w而言，結構與印刷技術的協同優化是結構優化的最終目標。
（4）對于裝配式3DPC結構，構件的連接措施是保證結構可靠性的基礎。目前3DPC結構采用的連接方式有后張鋼筋連接方式、機械連接方式、擠壓連接方式等。擠壓連接方式有利于傳遞壓力，常用于拱形或殼結構。受彎構件主要采用后張法鋼筋連接方式和機械連接方式。另外，組裝結構中的連接方法也可以參考3DPC結構。
通訊作者
陳朝暉，工學博士，教授，博士生導師。1998年畢業于清華大學土木工程系，獲工學博士學位。1998年至今于重慶大學土木工程學院任教，2004至06年赴美國普林斯頓大學土木與環境工程系作高級訪問學者。先后獲全國寶鋼優秀教師獎、全國徐芝綸力學優秀教師獎、重慶大學優秀教師獎、重慶大學唐立新優秀教師獎及重慶大學“最受學生歡迎的老師”。主要研究方向：結構非線性分析理論與方法、隨機場與可靠性理論與應用、3D打印混凝土結構優化設計原理與方法、城市基礎工程風險分析理論與方法。主要成果體現于參數隨機場下邊坡穩定可靠性研究、柔性結構非線性分析方法以及城市地下管網結構安全性分析與監測等方面。主持和主研“十一五”國家重大專項水體污染控制與治理課題、”十三五”高性能鋼結構體系研究與示范應用、國家自然科學基金面上項目、教育部科學技術研究重大項目等在內的國家級省部級科研項目十余項，參編國家標準《既有混凝土結構耐久性評定標準》，承擔湖南省郴州市體育中心體育場風洞試驗研究、重慶鵝公巖大橋靜力穩定性能研究、重慶軌道交通十號線南紀門長江大橋拉索安全性研究等數項重大工程項目。獲發明專利5項、計算機軟件著作權4項。發表學術論文120余篇。出版譯著《隨機場：分析與綜合》（高等教育出版社）、專著《山地城市排水管網結構安全監控預警理論與應用》（科學出版社），主編教材3部。
張志剛，男，山東省聊城人。博士，副教授，博士生導師。2016年于東南大學獲得博士學位，2013.09-2015.09在美國密歇根大學學習交流兩年，師從于ECC材料（一種可彎曲的混凝土）發明人Victor C. Li教授；主要研究方向為高延性水泥基復合材料（ECC）及其結構行為。目前已在國內外期刊上發表論文近40余篇，其中40余篇（一作或通訊作者）被SCI收錄；作為 負責人 主持承擔 2 項國家自然科學基金項目；1項十四五國家重點研發計劃子課題；2 項省部級項目；2 項土木行業內重點實驗室開放課題。
論文引用
Liu D, Zhang Z, Zhang X, et al. 3D printing concrete structures: State of the art, challenges, and opportunities[J]. Construction and Building Materials, 2023, 405: 133364.
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.133364
由于打印材料和打印技術的特殊性，3D打印混凝土表現出獨特的宏觀各向異性，而目前對3D打印混凝土本構關系的研究還不夠。雖然3D打印混凝土的工程案例眾多，但成熟的結構加固增強方法以及定量的結構承載力分析理論和方法仍有待研究。為了適應材料和打印工藝的特定要求，實現材料的高效利用，優化設計對于3D打印混凝土結構至關重要。3D打印混凝土優化設計領域目前還處于起步階段。最后，板、殼、梁、拱結構的打印、連接和施工方法為3D打印混凝土結構提供多方面的參考�？偟膩碚f，3D打印混凝土材料和結構的選擇以及結構的設計和施工都存在問題。在此基礎上，結合工程實例，從材料力學性能、結構形式、優化設計、連接施工方法四個方面進行綜述。
工作亮點
（1）回顧了3D打印混凝土結構的最新技術。
（2）描述了3D打印混凝土結構當前面臨的挑戰。
（3）給出了3D打印混凝土結構的未來機遇。
圖1. 3DPC柱的輪廓制作：(a)不規則空間桁架形柱；(b) 可變截面柱。
圖2. 3DPC同步加固技術.
圖3. 3DPC拱橋：(a)鋼筋混凝土拱橋；(b) 擠壓拱橋。
自1997年提出混凝土3D打印概念以來，人們對3DPC技術進行了廣泛的研究。在3DPC結構的設計、優化和施工方面的深入知識和豐富經驗促使3DPC技術作為一種施工方法得到有益的使用，這可以減少對材料和工人的需求。論文從材料特性、結構形式、優化設計、連接方式四個方面對3DPC結構進行了全面綜述，并探討了3DPC技術進一步發展面臨的挑戰和未來機遇�？梢缘贸鲆韵陆Y論。
（1）3DPC技術是一種通過增材制造工藝形成混凝土結構的3D打印技術。這種特殊的施工技術導致3DPC的層間和帶間界面處產生初始缺陷，從而降低了3DPC結構的性能。與普通混凝土不同，3DPC在不同荷載方向上的性能并不一致，即各向異性。合適的3DPC混合物應同時具備可打印性和強度，這往往需要工程師在設計材料成分時達到平衡。此外，打印技術（層間間隔時間和打印速度）和打印噴嘴參數（高度、形狀和尺寸）也會影響3DPC的機械性能。
（2）與普通結構類似，3DPC結構主要分為兩類：受壓構件（墻、柱、拱）和受彎構件（梁、板）。受壓構件是3DPC結構中應用最廣泛的形式，因為它可以充分利用混凝土的抗壓性能，而且也更易于分段設計。對于3DPC的彎曲構件，桁架系統適合代替普通的梁結構。此外，傳統的板結構采用肋設計，可以減輕3DPC結構的自重。另一方面，也提出了適用于3DPC結構的加固技術。橫向加固技術廣泛應用于受壓構件，而后張加固技術主要應用于受彎構件。
（3）結構優化設計可以利用3DPC的高自由度，以更少的材料實現更好的性能。常用的優化方法有基于材料密度的拓撲優化和基于邊界條件的拓撲優化。彎曲構件的優化設計比壓縮構件的優化設計更為復雜。研究表明，矩形網格和桁架網格分別在壓縮和彎曲性能方面具有優勢。此外，打印技術還需要根據材料特性和結構形式進行優化�？傮w而言，結構與印刷技術的協同優化是結構優化的最終目標。
（4）對于裝配式3DPC結構，構件的連接措施是保證結構可靠性的基礎。目前3DPC結構采用的連接方式有后張鋼筋連接方式、機械連接方式、擠壓連接方式等。擠壓連接方式有利于傳遞壓力，常用于拱形或殼結構。受彎構件主要采用后張法鋼筋連接方式和機械連接方式。另外，組裝結構中的連接方法也可以參考3DPC結構。
通訊作者
陳朝暉，工學博士，教授，博士生導師。1998年畢業于清華大學土木工程系，獲工學博士學位。1998年至今于重慶大學土木工程學院任教，2004至06年赴美國普林斯頓大學土木與環境工程系作高級訪問學者。先后獲全國寶鋼優秀教師獎、全國徐芝綸力學優秀教師獎、重慶大學優秀教師獎、重慶大學唐立新優秀教師獎及重慶大學“最受學生歡迎的老師”。主要研究方向：結構非線性分析理論與方法、隨機場與可靠性理論與應用、3D打印混凝土結構優化設計原理與方法、城市基礎工程風險分析理論與方法。主要成果體現于參數隨機場下邊坡穩定可靠性研究、柔性結構非線性分析方法以及城市地下管網結構安全性分析與監測等方面。主持和主研“十一五”國家重大專項水體污染控制與治理課題、”十三五”高性能鋼結構體系研究與示范應用、國家自然科學基金面上項目、教育部科學技術研究重大項目等在內的國家級省部級科研項目十余項，參編國家標準《既有混凝土結構耐久性評定標準》，承擔湖南省郴州市體育中心體育場風洞試驗研究、重慶鵝公巖大橋靜力穩定性能研究、重慶軌道交通十號線南紀門長江大橋拉索安全性研究等數項重大工程項目。獲發明專利5項、計算機軟件著作權4項。發表學術論文120余篇。出版譯著《隨機場：分析與綜合》（高等教育出版社）、專著《山地城市排水管網結構安全監控預警理論與應用》（科學出版社），主編教材3部。
張志剛，男，山東省聊城人。博士，副教授，博士生導師。2016年于東南大學獲得博士學位，2013.09-2015.09在美國密歇根大學學習交流兩年，師從于ECC材料（一種可彎曲的混凝土）發明人Victor C. Li教授；主要研究方向為高延性水泥基復合材料（ECC）及其結構行為。目前已在國內外期刊上發表論文近40余篇，其中40余篇（一作或通訊作者）被SCI收錄；作為 負責人 主持承擔 2 項國家自然科學基金項目；1項十四五國家重點研發計劃子課題；2 項省部級項目；2 項土木行業內重點實驗室開放課題。
論文引用
Liu D, Zhang Z, Zhang X, et al. 3D printing concrete structures: State of the art, challenges, and opportunities[J]. Construction and Building Materials, 2023, 405: 133364.
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.133364
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