世界最大的混凝土3D打印步行桥＊

徐卫国

清华大学建筑学院

1 步行桥池塘周边鸟瞰

2019年1月12日，清华大学（建筑学院）-中南置地数字建筑研究中心运用自主研发的机器臂3D打印混凝土技术，在上海宝山智慧湾建成了目前世界规模最大的混凝土3D打印步行桥1。该步行桥全长26.3m、宽3.6m，桥梁结构借鉴自中国古代赵州桥，采用单拱结构承受荷载，拱脚间距14.4m。整体桥梁工程的打印运用了两台机器臂3D打印系统，用时共计450h打印完成全部混凝土构件；与同等规模的桥梁相比，它的造价只有普通桥梁造价的2/3；同时，该桥梁主体的打印及施工并未使用模板与钢筋，大大节省了工程费用。

步行桥位于上海宝山区智慧湾科技园区内，建造地段北面为科技园区服务设施及大跨度创意空间，东西两侧均为利用集装箱建成的办公区，南面为黄浦江支流蕰藻浜及其河岸地带。在建造地段中有一个南北走向的椭圆形池塘，东西宽度为14.4m，步行桥就架在池塘中央。

1 步行桥设计

2017年底，当智慧湾科技园陈总通过微信询问我是否能用混凝土3D打印一座世界最长的桥时，我思考了两个小时，然后非常肯定地回答了他：可以。之所以如此确定地回答，是因为我想到了赵州桥。

赵州桥建于隋朝开皇十一年至开皇十九年（公元591～599年）之间，由著名匠师李春设计建造，距今已有1 400多年的历史，是当今世界上现存最早、保存最完整的古代单孔敞肩石拱桥。主体结构由8道块状石材砌筑的单拱并排而成，能够屹立千年证明这种结构具有持久稳定的受力潜能。块状石材在这一结构中主要承受沿拱轴的轴向压力，恰恰混凝土的最佳材性也是承受压力，如果通过3D打印混凝土块状构件并砌筑成几道单拱并排，这样的混凝土砌块拱形结构也同样能够保证良好的受力。正是想到这些，我们承接了这个带有研发性质的项目。事实上，在之后的设计研发过程中，需要解决一系列难题才能真正实现这一想法。

2 步行桥平面图

3 步行桥南侧俯瞰

4 步行桥西北侧看桥体

5 步行桥东西向剖面图

6 步行桥南北向剖面图

在确定了使用单孔拱形结构作为主体结构之后，桥体的造型设计成为最重要的内容。连接两岸是桥最基本的功能，它与水紧密相连。更何况，在科技园区这一特定的地段，既有池塘又有南侧的浦江支流蕰藻浜，再加上科技园的名称“智慧湾”，桥体造型自然地与水联系起来，因而我们将水波纹确定为形态的原型，最终设计的桥栏板也呈现出灵动的波纹肌理。步行桥不仅连接了两岸，也丰富了园区景观。从远处看，波浪形栏板与池水浑然一体，形似飘带与桥拱一起构筑出轻盈、优雅的体态。事实上，我们以轻盈舒展的形态使这座混凝土桥更亲近于人，一改混凝土原本给人的沉重坚固感。另外，桥面板采用脑纹珊瑚的形态，珊瑚纹之间的空隙则填充细石子，形成园林化的路面。

步行桥采用了变量化设计与参数化设计相结合的三维实体建模方法，在建模过程中就考虑到建造的可能性，把步行桥整体分成桥拱结构、桥栏板、桥面板三部分，并在三部分之间建立约束进行变量化设计。桥拱结构作为自变量，其形状由结构计算来决定；桥栏板与桥面板的外轮廓形状随桥拱结构形状的变化而变化；同时这三部分各自的内部形状又由参数化模型进行设计控制。桥拱结构分成4道拱并排，每道拱又分成11块混凝土构件，总共44块0.9m×0.9m×1.6m的混凝土构件单元；桥栏板则分为68块构件单元；桥面板分为64块构件单元，这样的划分为后续的打印工作做了充分准备。

2 桥体结构

如上所述，步行桥采用混凝土块材砌筑的单孔拱形结构，最大拱跨为14.4m，由4道单拱并排形成3.6m宽的拱形桥梁主体结构，最大拱高为2.17m；桥面设计荷载为均布荷载500kg/m2；拱形主体结构与桥面板之间填充钢纤维混凝土，同时起到加强拱形主体结构整体性的作用；为了使混凝土块材砌筑成拱的施工更高效简便，在4道拱两侧分别设置了L形钢作为临时支撑，它只能承受混凝土块材的重量，结构拱成型之后可以拆除。施工的顺序为：首先吊装L形临时支撑钢梁，在其上放置混凝土块材并用砂浆灌缝；然后，吊装桥栏板就位并以其作为边模浇筑钢纤维混凝土填充层；之后吊装桥面板，完成整个步行桥的施工。

在步行桥结构设计阶段，进行了1∶4桥梁模型加赋静载试验，以预测实际建成桥梁的力学行为，从而确保安全性。加载方式是在结构的1/4点处施加横向整幅均布荷载，并布设位移传感器来检测结构在荷载作用下的位移变化，同时在同一截面布置应变片对结构的力学性能进行测试。试验过程中，采用量程500t的千斤顶进行加载，加载速率在前8m in为5～8kN/m in，后面11m in为30～40kN/m in，试验共经历19m in将结构模型破坏。试验结果表明，桥梁在极限荷载状态下，最大挠度是21.6mm，最大负挠度（上挠）为5.3mm，最大压应力为4.63MPa，最大拉应力为1.2MPa；桥梁在三倍设计荷载状态下，最大挠度为8.79mm，最大负挠度为1.58mm，最大压应力为2.41MPa，最大拉应力为0.25MPa。这一试验结果的位移值与应力值与理论计算值一致，表明结构设计合理。

3 打印系统

步行桥的打印使用了“机器臂3D打印混凝土系统”，该打印系统由徐卫国教授团队研发，集成了数字建筑设计、打印路径生成、操作控制系统、打印机前端、混凝土材料等创新技术，具有工作稳定性好、打印效率高、成型精度高、可连续工作等优点。该系统具有独特的创新性并在国内外处于领先，主要体现在三个方面：第一为机器臂前端打印头，它兼具搅拌与挤压推送功能；第二为打印路径生成及操作系统，它将形体设计、合理路径、泵送、前端、机器臂运动等各系统连接为一体，协同工作；第三为独有的打印材料配方，它具有合理的材性及稳定的流变性与触变性。该系统的设计目标是全自动打印加工，只需两位技术人员操作，一人准备原材料，另一人操作键盘控制打印过程，从而节省人力，把工作人员从繁重的体力劳动中解放出来。但目前配料、搅拌、送料过程还未进行自动化集成，这些工作还需两位工人完成。

4 打印材料

这些构件的打印材料均为聚乙烯纤维混凝土添加多种外加剂组成的复合材料，经过多次配比及打印试验，目前已具有满足打印需求的可控材性。在该材料用于实际构件打印之前进行了材料的破坏试验，用于试验的试件由该机器臂系统打印而成，并用机器切割成表面平整的标准混凝土试件。测试抗压强度的试件为边长150mm的标准立方体，试验采用量程为300kN的微控电子万能试验机自动加载直至破坏，加载速率为0.5MPa/s，试验结果把压力最大值/横截面积作为试件的极限强度，它的抗压强度达到65Mpa。测试抗折强度的试件尺寸为40mm×40mm×160mm，将试件放到跨距为100mm的试验装置上进行抗折强度试验，按照国标规定的加荷速度加载直至试件破坏，记录最大破坏荷载，一组三个试件，并计算抗折强度，取三个抗折强度的平均值作为最后的试验结果，抗折强度达到15.6Mpa。

7 步行桥模型破坏试验加载图

8 步行桥模型破坏试验传感器布置图

9 步行桥模型破坏试验

10 机器臂3D打印混凝土系统

11 桥拱结构件打印过程

12 步行桥栏板打印过程

13 步行桥面板打印过程

14 步行桥东南侧景观

15 步行桥细部

16 步行桥细部

5 实时监测

步行桥预埋有实时监测系统，包括监测应力变化的混凝土表面应变计与监测变形的物位计。在桥体南侧及北侧各选4个点，分别在桥上及桥下安装了混凝土表面应变计，从2019年1月15日至2月14日的16个点监测到的数据显示，应变最大值为-89με（微应变）。另外，沿桥中轴布置了6个物位计以监测变形，同上时间段内仪器监测数据显示，累计最大沉降为6.5mm。通过这些仪器即时收集桥梁受力及变形状态数据，对于了解步行桥的安全状况、跟踪研究混凝土打印材料的性能具有实际作用。

6 后记

随着我国人口红利的减退，未来工程建设的劳动力将越来越供不应求，智能建造将是解决这一问题的重要渠道，并将推动我国建筑工业的转型升级，3D打印作为智能建造的一种重要方式，将对工程建设的智能化发展起到非常积极的推动作用。

在混凝土3D打印建造方面仍存在着许多需要解决的瓶颈问题，该领域技术研发及实际应用的竞争也日益激烈。国内外已有相当多的科研机构及建造公司一直致力于这方面的技术攻关，但还没有真正将其应用于实际工程。步行桥的建成，标志着这一技术从研发到实际工程应用迈出了具有探索性的一步。

注释

1据搜狐网2017年5月13日报道，2016年12月14日在马德里建成混凝土3D打印的步行桥正式对公众开放，该桥由加泰罗尼亚先进建筑学院（IAAC）领导建设，桥长12m、宽1.75m。另据中国检测网2017年10月22日报道，2017年10月17日在荷兰东南部城镇海默特建成一座3D打印混凝土桥，桥长8m，主要供自行车通过。