2019/02/13
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瑞士科学家3D打印缆索地板系统，以减少混凝土的使用
建筑业是温室气体的最大贡献者之一，因为全球三分之一的排放来自建筑业。这些温室气体中有很大一部分体现在地板系统所用的混凝土中，因此有各种正在进行的努力来减少建筑物中混凝土的使用。在不牺牲强度的情况下使用更少材料的关键是几何形状。拱是一个很好的例子：压在拱顶部的重量分布在整个形状中，因为它在消除拉应力的同时将力分解成压缩应力。来自Block Research Group、建筑技术研究所(Institute of Architecture)和苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的一组研究人员利用3D打印技术将同样的原理应用到混凝土地板上。
由于其层次性，3D打印材料的抗拉强度低于建筑行业中的大多数材料，但抗压强度较高。通过在地板系统中设计肋和拱，团队可以将推力转换为压缩力，这就是所谓的缆索系统。由Philippe Block和Tom Van Mele工程师们使用了一种ExOne S-Max沙子3D打印机建立体积为1.8×1.0×0.7米3D打印五件连接在一起。相邻元素之间没有使用机械连接。相反，原型的压缩主导结构形状允许使用简单的界面设计，仅使用公 - 母互锁特征来保证对齐，”该论文指出。
为了生成缆索形式，他们使用了推力网络分析(TNA)及其软件实现RhinoVAULT。他们在制造之前模拟了数百种不同的配置，制作了第一个3D打印砂地板，并经过了严格的测试，以确保材料符合规范和人们使用的安全。它运行良好，但只差3%就达到了要求的载荷标准，所以稍微修改了第二3D打印砂地板，这确实符合载荷标准。第三次迭代是一种不同的设计，它有更高的负载限制，但经历了更大的挠度，团队计算出的这个问题可以通过额外的预加载来解决。
他们的实验表明，地板系统可以使用这些几何形状生产，这些几何形状比传统混凝土板中使用的材料少70％。他们继续他们的研究，并使用传统的FDM 3D打印机创建模具，使他们能够将索状结构直接结合到混凝土地板中，放置在NEST HiLo（高性能，低能耗）项目公寓中，该项目具有可持续性和高科技性建筑方法。它正在瑞士的Dübendorf建造，并将容纳来访的ETH教员。
这些3D打印地板系统不仅可以释放材料，还可以释放可用于布线和导管的空间。 Block Research Group正与ETH的建筑与建筑系统实验室合作，确定HVAC（加热和冷却）系统是否可以集成到地板中，这似乎很可能。令人遗憾的是，地板将被覆盖，因为这些图案在美学上令人愉悦。
如果没有3D打印，减少材料使用的几何形状通常是不可能制作出来的。这并不是说建筑师和建筑工程师不知道这些形状可以用在混凝土地板上使他们更坚固，而是这些形状是难以置信的昂贵或不可能通过传统方式创造。3D打印已经存在一段时间了，但一些面临严格监管、供应链和工作流建立时间较长的行业采用新技术的速度较慢。对于建筑行业来说，等待3D打印在建筑构件上的应用得到强有力的验证是比较安全的，但是随着3D打印技术在房屋、桥梁和其他混凝土减少方法上的应用，这些验证越来越多，行业也开始关注。
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