面向混凝土3D打印的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

來(lái)源：來(lái)源于RMIT 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)與材料中心

作者：畢明昊、Jonathan Tran、夏令偉、馬國(guó)偉、謝億民
單位：皇家墨爾本理工大學(xué)、河北工業(yè)大學(xué)

在當(dāng)前人力成本不斷提高、勞動(dòng)力越發(fā)緊張的形勢(shì)下, 如何使用智能化建造技術(shù)來(lái)縮短工期、減少工業(yè)廢料、降低人力成本成為了建筑行業(yè)的焦點(diǎn)�；炷�土3D打印(3D concrete printing, 3DCP)將增材制造技術(shù)與前沿材料工藝相結(jié)合, 使用逐層堆積的方式進(jìn)行三維布料, 實(shí)現(xiàn)了免模板施工。通過(guò)結(jié)合數(shù)字建模、無(wú)�；�、裝配式施工，混凝土3D打印減低了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的施工難度與成本, 為拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)提供了途徑。然而，傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)通常由于無(wú)法直接滿足混凝土3D打印的各種要求，而導(dǎo)致打印效率低、質(zhì)量差、甚至打印失敗。謝億民院士團(tuán)隊(duì)近日發(fā)表在增材制造領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《AdditiveManufacturing》的論文對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，提出了一種面向混凝土3D打印的拓?fù)鋬?yōu)化新算法, 在保持設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)性能的同時(shí)提高了整體打印質(zhì)量與效率。

謝億民院士團(tuán)隊(duì)在其首創(chuàng)的雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化（Bi-directional Evolutionary Structural Optimization, BESO）技術(shù)的基礎(chǔ)上，將以下四種施工約束引入設(shè)計(jì)流程中：

• 豎向自支撐（Self-support）約束
• 橫向一筆畫(huà)（Continuous extrusion）約束
• 裝配式設(shè)計(jì)（Modular construction）約束
• 橫向各向同性（Tranverse isotropic）約束
  

豎向自支撐約束確保了設(shè)計(jì)的豎向連續(xù)性，每一打印層均可以有效支撐下一打印層。優(yōu)化設(shè)計(jì)因此避免了懸挑，實(shí)現(xiàn)了自支撐打印。
橫向一筆畫(huà)約束確保了設(shè)計(jì)的橫向連續(xù)性，每一打印層均為連續(xù)閉合結(jié)構(gòu)。配合團(tuán)隊(duì)在前期工作中提出的一筆畫(huà)路徑算法，打印可實(shí)現(xiàn)全局連續(xù)，有效提高了打印效率與質(zhì)量。
裝配式設(shè)計(jì)約束允許設(shè)計(jì)者將設(shè)計(jì)區(qū)域劃分為不同模塊。每一模塊可根據(jù)其功能或尺寸采用不同角度打印，以提高整體打印效率。
橫向各向同性約束考慮了混凝土3D打印不同方向上的材料強(qiáng)度差異，以提高優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。

△ 圖一：懸臂梁設(shè)計(jì)域


△ 圖二：將設(shè)計(jì)域分為兩個(gè)裝配式模塊后獲得的優(yōu)化結(jié)果：（a）以圖形中心線為打印底板，向左右兩側(cè)打印（b）以圖形兩側(cè)為打印底板，向中心線打印

研究團(tuán)隊(duì)以圖一所示的經(jīng)典懸臂梁為算例進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。以XZ平面為對(duì)稱面，設(shè)計(jì)域被劃分為兩個(gè)裝配式模塊。圖二a和b采用不同打印方向：
a：以圖形中心線為打印底板，每個(gè)模塊向外側(cè)打印
b：以圖形外側(cè)為打印底板，每個(gè)模塊向中心線打印

圖二中的優(yōu)化結(jié)果滿足了施工約束，確保了每個(gè)模塊在豎向和橫向上的連續(xù)性。相較傳統(tǒng)BESO優(yōu)化結(jié)果，增加約束后的設(shè)計(jì)在整體剛度上保持一致，保證了結(jié)構(gòu)的高效性。在此之上，優(yōu)化結(jié)果可使用一筆畫(huà)算法規(guī)劃路徑，確保高效不間斷打印。

△ 圖三：使用一筆畫(huà)算法對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行路徑規(guī)劃

研究團(tuán)隊(duì)使用新算法對(duì)圖四中的座椅進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了滿足功能需求，我們將座椅表面規(guī)定為非設(shè)計(jì)域，并對(duì)內(nèi)部傳力區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。為了增加打印效率，團(tuán)隊(duì)以XZ平面為對(duì)稱軸將設(shè)計(jì)域劃分為兩個(gè)裝配式模塊，獲得了圖五所示的優(yōu)化結(jié)果。配合一筆畫(huà)路徑算法，每個(gè)模塊在打印中均實(shí)現(xiàn)了自支撐連續(xù)打印，最終完成了圖六所示的拓?fù)鋬?yōu)化混凝土3D打印座椅。

△ 圖四：拓?fù)鋬?yōu)化座椅設(shè)計(jì)域


△ 圖五：優(yōu)化結(jié)果：（左）單一裝配式模塊（右）雙模塊拼接后結(jié)果；為了展現(xiàn)內(nèi)部細(xì)節(jié)，圖中一側(cè)透明


△ 圖六：混凝土3D打印結(jié)果：（a）拼裝前單一裝配式模塊（b）拼裝后整體結(jié)果

該研究提出了面向混凝土3D打印的拓?fù)鋬?yōu)化新方法，可應(yīng)用于智能化建筑設(shè)計(jì)。

本研究課題由博士生畢明昊完成主要工作，經(jīng)謝億民院士和JonathanTran博士悉心指導(dǎo)，并獲得河北工業(yè)大學(xué)馬國(guó)偉教授、博士生夏令偉對(duì)混凝土3D打印實(shí)驗(yàn)提供的指導(dǎo)與幫助。該項(xiàng)研究工作已發(fā)表在《Additive Manufacturing》期刊上 (Q1, 影響因子:10.998)。

論文原文：M. Bi, P. Tran, L. Xia, G. Ma, Y.M. Xie, Topology optimization for 3D concrete printing with various manufacturing constraints, Additive Manufacturing 57 (2022) 102982. https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102982.