东南大学建筑学院2023研究生设计课程 | 运算化设计与高性能3D打印建造
发布时间：2023年7月21日 分类：课程设计
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学生：刘逸卓，高梦贤，刘昕明，武文忻，冯以恒，张笑凡，邹雨菲，蔡杰鹏，徐沁仪，李泽瑞
Find the ideal forms for specific materials and using these forms to create buildings.
法国建筑师勒-杜克（le-Duc）最早明确提出了基于材料的建筑设计方法，推动了结构理性主义的发展。如今，以3D打印技术为代表的数字建造方法把设计与建造重新融合起来，提供了一个系统化的视角来研究建筑的形式、材料、结构。聚焦柯布西耶的多米诺系统的重要遗产——模块化钢筋混凝土结构，本课程融合了最新的运算化设计与增材制造技术，从新型高性能混凝土结构的原理与建造问题出发，用数字化方法来探索建筑楼盖结构的力学性能、建造工艺和材料效用。
针对正交柱网中的混凝土框架结构，设计一个新的模块化混凝土楼盖系统 (modular concrete slab system)，整合结构、建造、设备，设计目标包括：
选择一栋既有多层公共建筑，用新设计的楼盖系统替换原来的结构，对建筑空间设计进行相应的调整。
1 混凝土模型：约 1:10 ，至少包含正交柱网中的一个单元。
本研究聚焦混凝土楼盖系统，使用拓扑优化算法在结构强度与节省材料上寻找平衡。研究基于稀疏网格窄带拓扑优化，在高分辨率下创造出全新的、类仿生结构的无梁楼盖系统，并使用3D打印技术进行建造。新型楼盖系统能够有效节约混凝土用量，并产生足够空间容纳设备管线，形成楼板-设备一体化的楼盖系统。
本研究基于混凝土框架结构体系，从两个方面对该结构体系进行创新突破，一是减少混凝土用量，降低混凝土的环境污染问题;二是遵循混凝土流动的多变的本质，探索混凝土的新型表达形式。项目采用拓扑优化算法，达到省材与结构强度的统一。
本研究基于论文Narrow-Band Topology Optimization on a Sparsely Populated Grid，使用Sparsely Populated Grid数据结构代替传统数据结构。本研究在论文开源代码基础上进行优化与建筑楼盖系统应用场景开发。
本研究还探索了建筑楼盖系统设备管道一体化设计。在设计阶段可以添加不参与计算的空腔区域用于安装设备管道，本方案中自然形成的十字空腔等大空间区域可以满足风管水管桥架等不同尺寸设备的摆放，小空间区域可以满足毛细管道等多种新型设备的填充。
经过服务器计算迭代，在8m*8m*0.8m的楼盖范围内，实现了该范围体积占比8%的，具有高达8亿体素单元的拓扑优化楼盖系统结果，该结果呈现出仿生学特征。
本方案基于3D图解静力学设计了一种新的楼盖系统，结合了形式美感和节材效益。在保证结构安全和基本设备功能的同时，提高楼盖系统的材料利用率问题。目标是设计出一种能够适应不同柱网、跨度、高度和荷载的楼盖系统，并用3D打印技术制作和验证模型。设计涵盖了结构、建造、设备等多个方面，形成了一个较为完整的设计流程。
设计以图解静力学为核心理论和方法，并利用参数化软件进行力图设计和力学计算，最终确定了一种较为合适的结构形式、尺寸和力图模式。
方案选用十字拱作为基本结构型，并通过探索不同的细分方式和次数，比较了新的楼盖结构与传统框架结构的性能差异，并以材料利用率为标准，确定了最合适的结构高度和杆件尺寸，所得到的结构形式最多可省70%的混凝土。
制造过程尝试了多种模具制作和拆模方式，并最终选择了光固化打印模具和热风枪拆模的方法。比较了不同混凝土、沙水比对小管径和温度收缩强度的影响，综合考虑混凝土流动性和强度，选择了C60去粗砂石，沙水比3:1的混凝土配比进行大模型的浇筑。
最终设计经过了多次的尝试和改进，具有良好的结构性能、节材效益、形式美感和空间氛围，展示了新楼盖系统和3D打印技术在建筑设计中的应用和潜力。
本方案探索了一种新型多层十字拱楼盖系统，实现结构性能的提升和结构与设备管道的空间整合，同时创造独特的空间美学效果。
本设计将拱结构用于多层建筑楼盖设计，首先对比了不同拱面组合的效率，选取了十字拱作为原型，并通过十字拱拱顶下方空间整合管道。为解决拱面形状与空间需求的矛盾，探索了拱面与其上方平楼板间连接体组合的不同可能。
为了进一步提高结构效率，在拱面和连接体上增加沿主应力引导线分布的加强肋，并通过有限元模拟验证了这一做法的可行性：添加了应力线加强肋的十字拱，最大位移是无肋十字拱的 71%，是密肋十字拱的 84%；应变能是无肋十字拱的67%，是密肋十字拱的 86%。
模型建造过程中，浇筑模具分为外部与内部两部分，其中外部模具在混凝土成型后拆除，内部模具只起到填充作用，将被保留在混凝土中，不会被拆除。考虑到实际工程中模具拆除的方便，每个柱跨单元的外部模具被沿应力线肋划分成64块，同时每一块在实际建造中的尺寸小于1.5m×1.5m，便于打印和运输。外部模具共有16种固定的类型，以便于批量化生产加工。
本方案以编织为主题，通过对楼板中的支撑结构运算化的设计实现楼板在力学性能、材料用量、设备一体、室内采光等方面的创新性设计。
将楼板结构与管网进行一体化设计以减少对空间净空的多余占用。并通过楼板的构造设计实现自然采光的引入，增加空间的照明效果，减少对人工光源的依赖。
在设计中对已有结构通过对应力的计算生成管径密度分布规律，高效利用结构间的空腔以实现结构与管道的统一并形成了可以无限延伸的结构单元。此外还引入了导光管的新构造。
以桁架结构为原型，在结构的上下弦杆件之间根据应力的分布密度差异生成对应的不同数量的支撑，起到结构整体的支撑连接作用。
在建模时应确保：中部支撑结构与上下底面连接的孔洞全部打开,中部支撑结构彼此交叉的地方全部打开，使混凝土能够到达支撑结构的每一处；内部设计的预制管道与支撑结构没有交错，使管道能够从中部成功穿越楼板。由于模型中部支撑结构的方向和形态各异，采用光固化的3D打印工艺，使模型一体化成型，提高打印模型的质量和精度，确保后期混凝土的成功浇筑。
最终模型确定为以1:10的比例浇筑一跨完整楼盖的四分之一。在浇筑前使用亚克力板与热熔胶将模型封面固定，在管道中张拉预先设定的光纤，并使用极细的、流动性较强的混凝土进行浇筑，养护一周后拆模。
本方案提出了一种基于3D打印模板的主应力迹线（principal stress lines）网格状混凝土楼盖优化设计及建造方法。以规则柱网内的楼盖结构单元为原型，计算其主应力迹线作为结构优化设计的引导线，在所经之处增加用材以提升刚度，提高混凝土材料在楼盖结构中的使用效率。
采用Rhino-Grasshopper平台中的 Karamba3D插件对楼盖原型进行力流分析与受力模拟，提取主应力迹线与变形曲面，并投影至曲面作为楼盖结构形式的生成参考线；继而使用Abaqus软件进行有限元结构分析，验证生成结果的结构与材料效率，并对细部构件尺寸进一步优化。
建造实验共分3个阶段：首先将楼盖分割至合适尺寸进行模板的3D打印；拼接各模板单元，完成钢筋布置，浇筑混凝土；最后通过不断增加荷载检验楼盖的承载能力。通过1:15模型建造实验，初步验证了应力线网格状现浇混凝土楼盖的建造可行性，以及结构的高效性。
相较于传统梁板楼盖结构，该楼盖系统可以在相同结构性能下减少约30%的混凝土用量，提高了材料利用效率，并为“设备-结构”一体化设计提供可能。本研究从主应力迹线出发，形成了从设计、优化到建造的一体化流程，为绿色、低碳、可持续的混凝土楼盖系统设计提供了新的策略
Computational design of performance-driven concrete construction with additive manufacturing
Viollet-le-Duc explicitly put forward the architectural design method based on materials, followed by the development of French structural Rationalism. Nowadays, digital fabrication methods such as 3D printing have reintegrated design and construction, providing a systematic perspective to study the form, materials, and structure of buildings.
Using the latest computational design and additive manufacturing technologies, the design studio explores the modular concrete slab structures, an essential heritage of the Dom-ino system of Le Corbusier.
Focusing on the design principles and construction problems of high-performance concrete structures, this course uses digital methods to explore the structural performance, construction processes, and material behavior of new slab structures.
The design studio develops new modular concrete slab systems for any floor plan layouts of orthogonal column grids. The objective is to integrate structure, construction, and building services:
1. Concrete structures that save concrete materials
2. Adopting the traditional cast in-situ concrete process, the molds are manufactured using 3D printing technology
3. The structure accommodates building derives such as pipes and airducts, considering the sound, light, and thermal performance.
作业展览现场
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