華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院海外學(xué)者前沿講座第五十四期，我們邀請到來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院建筑技術(shù)研究所的Philippe Block教授。本次講座中，Block教授為我們帶來一場通過混凝土結(jié)構(gòu)數(shù)字建造創(chuàng)新理念實現(xiàn)建筑“減碳”的精彩報告。

講座開始前，我校建筑學(xué)院2017級的黃浩明同學(xué)向大家介紹了數(shù)字建造實驗室數(shù)字化研究小組（SCUT Arch. Digital Lab, ADL）的概況、組成、發(fā)展、研究方向和他們完成的一些優(yōu)秀作品案例，Block教授對此表示非常的贊賞。

隨后，今天的講座正式開始，主題是關(guān)于混凝土建造的新探索。在滿足人類居住環(huán)境對城市建筑剛性需求的過程中，將伴隨大量的建造排放、資源消耗、廢棄污染和能源危機等問題。全球“減碳”主題頻頻提出之際，如何實現(xiàn)建筑低碳發(fā)展， Block教授團隊提出了他們的解決方案：通過最優(yōu)的幾何構(gòu)造設(shè)計，發(fā)揮材料極致的力學(xué)效率增強 (STRENGTH THROUGH GEOMETRY + MATERIAL EFFECTIVENESS)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)重量減輕和材料碳排放減少。

案例1：無鋼筋加勁的3D打印混凝土模塊化裝配式拱橋

從設(shè)計到建造的整個過程， Block教授團隊采用了緊密高效的合作模式，集成計算設(shè)計、機器人3D打印混凝土和拱橋建造技術(shù)，將混凝土材料分層布置在垂直于結(jié)構(gòu)傳力路徑的方向上形成“條狀”結(jié)構(gòu)，借助結(jié)構(gòu)的拱形幾何，使其為純壓縮結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮混凝土抗壓力學(xué)優(yōu)的特性，不需要使用粘合劑就能以干式拼裝的方式實現(xiàn)穩(wěn)定。設(shè)計和建造過程中，精確控制混凝土材料需要出現(xiàn)的位置，從而減少了混凝土的使用，同時減少了結(jié)構(gòu)應(yīng)力的產(chǎn)生；通過整體、形狀和混凝土模塊化砌體的適當(dāng)設(shè)計，減少受拉、彎的力學(xué)需求，從而減少鋼筋的用量；混凝土和鋼筋的分離設(shè)計將只需要簡單的維修，因此修復(fù)結(jié)構(gòu)更容易。而該橋的混凝土砌塊和材料也可以輕易地拆分，重新組裝和回收再利用，實現(xiàn)了真正意義上的4R目標(biāo) (Reduce, Repair, Reuse, Recycle)，即實現(xiàn)可節(jié)省、可維修、可重復(fù)使用和可回收利用，同時該橋造型優(yōu)美，兼具景觀美學(xué)特征。

案例2：建筑樓板結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計和應(yīng)用

混凝土是一種受拉脆斷性材料，但其抗壓力學(xué)性能良好。梁構(gòu)件受彎時中性軸以下截面受拉應(yīng)力作用，而拱形構(gòu)件是一種沿拱軸線的受壓結(jié)構(gòu)；將混凝土等截面梁設(shè)計為高效的拱形結(jié)構(gòu)，將減少70%的混凝土使用。基于該力學(xué)思想，Block教授團隊受瓷磚啟發(fā)，將樓板設(shè)計為獨特的曲面幾何形狀以及混凝土夾層結(jié)構(gòu)，采用加肋的纜索系統(tǒng)殼體。離散化和肋條圖案與力流對齊，并遵循三鉸鏈拱的結(jié)構(gòu)原理。

該樓板使用3D打印實現(xiàn)和構(gòu)建，在其外部具有加固肋骨。3D打印的建造方法特別適合這種壓縮主導(dǎo)的樓板結(jié)構(gòu)，可以充分利用3D打印構(gòu)件的抗壓強度，而不依賴于其相對較低的拉伸和剪切能力。此外，3D打印的靈活性允許適應(yīng)非標(biāo)準(zhǔn)邊界條件和設(shè)計載荷，僅在需要的地方有效地使用材料。因此，與用于建造框架結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)25-30厘米厚的混凝土樓板相比，這種樓板系統(tǒng)明顯更輕。這直接降低了對基礎(chǔ)的要求（通常是主要的資源和成本因素），同時增大了建筑跨度，減小了總的樓板高度，為解決城市的垂直致密化等問題提供了可能性。

相比傳統(tǒng)鋼筋混凝土樓板，該樓板結(jié)構(gòu)能夠降低67%的混凝土材料用量和80%的鋼筋用量，卻依然能夠保證其承重性能。Block教授以一棟25層的框架結(jié)構(gòu)為例，如果將傳統(tǒng)的混凝土樓板替換為所提出的樓板結(jié)構(gòu)，將能夠節(jié)省7500m2的混凝土，相當(dāng)于1208輛混凝土泵車；20km直徑為12mm的鋼筋，相當(dāng)于北京到上海的距離。

案例3：建筑屋頂結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計和應(yīng)用

Block教授提出了一種雙層的雙曲面混凝土殼屋頂，輔以柔性的可在現(xiàn)場主動控制的模板系統(tǒng)進(jìn)行建造。該屋頂是一種輕巧的雙曲面混凝土夾層結(jié)構(gòu)，由兩層厚度僅為5厘米和3厘米薄鋼筋混凝土和10?厘米厚的保溫層構(gòu)成，各層之間由受壓加勁肋和垂直拉桿組成的網(wǎng)格連接。這種雙層結(jié)構(gòu)屋頂?shù)妮p質(zhì)和由高度彎曲的幾何提供的高強特性，使屋頂可以通過五個支點穩(wěn)固的站立，覆蓋的面積達(dá)到120m2的空間。在屋頂?shù)慕ㄔ焐?，傳統(tǒng)的非標(biāo)準(zhǔn)混凝土構(gòu)件通常需要使用大量的定制模板，大量切割木材或銑削泡沫的一次性模具的生產(chǎn)既昂貴又浪費。然而，Block教授在所提出的屋頂系統(tǒng)的建造上采用了柔性模板，該模板基于大部分可重復(fù)使用的零件套件。模板的主要結(jié)構(gòu)是電纜網(wǎng)，由單獨切割的電纜段組成，這些電纜段連接在定制設(shè)計的節(jié)點上，在木制邊界框架內(nèi)張緊。薄織物膜被拉伸到電纜網(wǎng)上并連接到節(jié)點上，形成一個繃緊的表面，混凝土可以澆注或噴涂到該表面上。此外，Block教授介紹到，該系統(tǒng)的所有關(guān)鍵細(xì)節(jié)都是通過與行業(yè)專家和合作伙伴合作進(jìn)行原型設(shè)計而制定的。所開發(fā)解決方案的原則被集成到與COMPAS一起實施的靈活的設(shè)計到制造的工作流程中。COMPAS是建筑工程和施工研究和協(xié)作的開源計算框架，作為關(guān)鍵創(chuàng)新的計算開發(fā)，協(xié)調(diào)和規(guī)劃的中心樞紐，并提供有效的研究到實踐轉(zhuǎn)移機制

通過這次講座，我們認(rèn)識到Block教授采用“通過幾何強化結(jié)構(gòu)”的方法，提出了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式和建造方法，以減少隱性的溫室氣體排放并使用更少的新資源。Block教授提出的復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計方法為混凝土建筑結(jié)構(gòu)注入了新的活力。此外，我們也能夠認(rèn)識到，3D打印技術(shù)和更多新的智能建造方法的發(fā)展，將會使人們設(shè)計、建造和建筑方式發(fā)生巨大的變化。

更多詳情請參閱：

https://www.block.arch.ethz.ch/brg/people/philippe-block

講座錄播鏈接：【The SIR Frontiers】學(xué)術(shù)前沿系列講座第一季第五十四期：“重塑混凝土建造“

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來源于多樣化結(jié)構(gòu)實驗室VSL

撰寫：解兵林 姚顯花

排版：李嘉晨

審核：胡??楠