荷兰3D打印混凝土在自行车桥结构的系列探索

由创新技术迈向建造多元形式的桥结构探索

说到桥梁和混凝土，你会想到随处可见的巨大实心桥墩和路面，而不会想到空心且结构厚度只有 5 厘米的小型景观桥。

这就是北荷兰 N243 公路上的新型 3D 混凝土打印自行车桥最薄部分的厚度。这座桥长 14.8 米，是目前用这种方法建造的单跨度最长的桥梁。” Weber Beamix 的项目经理说：“这是3D打印混凝土承重结构的里程碑。'

图片Witteveen+Bos，在最终项目地点附近，北荷兰桥梁已完成部分连接，并在进行了荷载实验 

#以创新和可持续发展为动力

当时，BAM正在实施一个Gemert环路项目，该项目也需要一座自行车桥，于是他们提出了 3D 打印混凝土技术。建筑团队目前已在大学实验室掌握了 3D 打印混凝土工艺，并着力于研究是否可以使用该技术创造更丰富的建筑元素。创新是一种驱动力，同时也是3D打印混凝土技术在大规模定制方面的潜力所在，比如桥梁，每个项目对桥梁的需求各不相同：跨度需要更长一些，路面需要更宽一些，某个地方需要特殊的物体。此外，您还可以将材料放置在需要的地方，而不必拘泥于模板，从而节省了大量模具材料。

图片Witteveen+Bos

图片Witteveen+Bos

#从材料本身思考技术 创新

我们可以从这些开创性的项目中学到什么呢？

这项技术可以实现很多东西，关键是要从打印机、材料及其该技术提供的可能性等作为出发点进行思考。例如，混凝土的抗压性能特别好，所以设计过程中必须充分利用材料抗压力大的优势，否则将很难探索材料在造型方面的设计应用。

图片Witteveen+Bos

Bridge Gemert 在埃因霍温工业大学的压力凳上

Witteveen + Bos 对位于 Gemert 的桥梁进行了设计和计算，该项目必须在很短的时间内完成；这个想法是在春天提出的，这座桥必须在九月完工，在多次的设计研讨会议上，项目团队确定了该座桥梁的设计与结构原理：许多混凝土打印元件通过预应力相互堆叠，项目组中的专家为了更方便众人理解，从书架上取下了一摞书进行了比较，在空中压在一起，这样通过预先施加的水平方向压力，这一摞书作为一个整体就保持了稳定的悬挂状态。

图片Witteveen+Bos

随后，项目团队探讨了 3D 打印的可能性和不可能性。例如，不能在尖角处打印，也不能在打印过程中停止。此外，其大学实验室的桥式起重机的最大负重也十分有限。因此，这座桥是分六个部分打印出来的，而不是像理论上那样一次性全部打印出来。

图片Witteveen+Bos

图片Witteveen+Bos

#钢筋的置入

通过这个概念设计，Witteveen+Bos 首先在数字化参数软件中进行计算，然后使用有限元方法，来计算复杂建筑元素的强度。工程师们与大学科研人员一起进行了材料方面的测试。布鲁尔斯解释说，所使用的混凝土由砂浆组成，砂浆中混有钢丝，类似于夹丝玻璃，钢丝在夹丝玻璃中的作用是为了确保玻璃在碎裂时不会进一步粉碎（参考钢化玻璃）。大学实验室使用这种混凝土打印并组装了一个 1:2 比例的模型，然后对其进行加载加压实验，并让研究人员记录试验参数并分析桥梁的受力方式。最后，这些元件按 1:1 打印并运至施工现场，进行组装、预应力、吊装到位并装载水箱。2017年10月，世界上第一座3D打印钢筋混凝土桥梁开通。

图片Witteveen+Bos

奈梅亨的3D打印混凝土自行车桥有多个支撑点 

图片 BAM

奈梅亨3D打印混凝土自行车桥，由小横截面

部件组成连接在一起，并承受张力 

图片Witteveen+Bos

图片Witteveen+Bos

在 2018 年底，北荷兰省提出了一项请求，要求制造四座自行车桥，作为 N243 公路重建的一部分。出于可持续发展的考虑，该省选择了3D打印混凝土技术，并在参数化设计过程中看到了商机，他们没有绘制四座独立的结构图，而是设计了“家族'桥梁，具有圆滑和更多的曲线形状。在埃因霍温的实验室中，首先打印了构件，并对计算出的剪切力进行了测试，这对整体细长的形式具有规范性和决定性作用。这些部件在埃因霍温的韦伯工厂打印，然后运往北荷兰。当发现一些构件出现毛细裂缝时，情况一度变得紧张起来，因为这是一个经过相当繁复优化后的设计--比奈梅亨的大桥更为关键，项目团队立即对整个项目的所有环节进行检查。

 图片Witteveen+Bos

北荷兰 3D 混凝土打印桥梁，其

在大学实验室进行测试后，项目团队得出的结论是没有问题，裂缝位于分层处，这是3D打印混凝土可接受范围内的常规现象，在拼接环节施加了预应力后，这些裂缝不会对桥梁的强度与韧性带来任何影响。2022年末，第一座桥梁在成功完成了3万公斤水箱的试载后组装完成。由于第三座桥梁更大（14.8 米），因此，同样于 2023 年 8 月在现场进行了测试。

在被问及3D打印混凝土结构的进一步发展时， Witteveen+Bos 公司提到了为德国的一个建筑展览会开发的一座桥梁。

图片Witteveen+Bos 北荷兰桥梁在3D打印工厂生产 

项目人员介绍到：“我们没有在单元中打印整个桥梁的横截面，而是制作了两个3D打印混凝土侧管，桥面位于中间。这是一个有趣的步骤，因为这样您就可以在使用更少材料的同时打印大型元件，而且两侧的侧管在因其3D打印的特殊性成为了两个独立的载重结构，成为了桥梁的主要承重体，我在这种建筑系统的组合中看到了未来3D打印混凝土更多的可能性。”