讲座回顾： 重塑混凝土建造

华南理工大学土木与交通学院海外学者前沿讲座第五十四期，我们邀请到来自苏黎世联邦理工学院建筑技术研究所的Philippe Block教授。本次讲座中，Block教授为我们带来一场通过混凝土结构数字建造创新理念实现建筑“减碳”的精彩报告。

讲座开始前，我校建筑学院2017级的黄浩明同学向大家介绍了数字建造实验室数字化研究小组（SCUT Arch. Digital Lab, ADL）的概况、组成、发展、研究方向和他们完成的一些优秀作品案例，Block教授对此表示非常的赞赏。

随后，今天的讲座正式开始，主题是关于混凝土建造的新探索。在满足人类居住环境对城市建筑刚性需求的过程中，将伴随大量的建造排放、资源消耗、废弃污染和能源危机等问题。全球“减碳”主题频频提出之际，如何实现建筑低碳发展， Block教授团队提出了他们的解决方案：通过最优的几何构造设计，发挥材料极致的力学效率增强 (STRENGTH THROUGH GEOMETRY + MATERIAL EFFECTIVENESS)，实现结构重量减轻和材料碳排放减少。

案例1：无钢筋加劲的3D打印混凝土模块化装配式拱桥

从设计到建造的整个过程， Block教授团队采用了紧密高效的合作模式，集成计算设计、机器人3D打印混凝土和拱桥建造技术，将混凝土材料分层布置在垂直于结构传力路径的方向上形成“条状”结构，借助结构的拱形几何，使其为纯压缩结构，充分发挥混凝土抗压力学优的特性，不需要使用粘合剂就能以干式拼装的方式实现稳定。设计和建造过程中，精确控制混凝土材料需要出现的位置，从而减少了混凝土的使用，同时减少了结构应力的产生；通过整体、形状和混凝土模块化砌体的适当设计，减少受拉、弯的力学需求，从而减少钢筋的用量；混凝土和钢筋的分离设计将只需要简单的维修，因此修复结构更容易。而该桥的混凝土砌块和材料也可以轻易地拆分，重新组装和回收再利用，实现了真正意义上的4R目标 (Reduce, Repair, Reuse, Recycle)，即实现可节省、可维修、可重复使用和可回收利用，同时该桥造型优美，兼具景观美学特征。

案例2：建筑楼板结构创新设计和应用

混凝土是一种受拉脆断性材料，但其抗压力学性能良好。梁构件受弯时中性轴以下截面受拉应力作用，而拱形构件是一种沿拱轴线的受压结构；将混凝土等截面梁设计为高效的拱形结构，将减少70%的混凝土使用。基于该力学思想，Block教授团队受瓷砖启发，将楼板设计为独特的曲面几何形状以及混凝土夹层结构，采用加肋的缆索系统壳体。离散化和肋条图案与力流对齐，并遵循三铰链拱的结构原理。

该楼板使用3D打印实现和构建，在其外部具有加固肋骨。3D打印的建造方法特别适合这种压缩主导的楼板结构，可以充分利用3D打印构件的抗压强度，而不依赖于其相对较低的拉伸和剪切能力。此外，3D打印的灵活性允许适应非标准边界条件和设计载荷，仅在需要的地方有效地使用材料。因此，与用于建造框架结构的传统25-30厘米厚的混凝土楼板相比，这种楼板系统明显更轻。这直接降低了对基础的要求（通常是主要的资源和成本因素），同时增大了建筑跨度，减小了总的楼板高度，为解决城市的垂直致密化等问题提供了可能性。

相比传统钢筋混凝土楼板，该楼板结构能够降低67%的混凝土材料用量和80%的钢筋用量，却依然能够保证其承重性能。Block教授以一栋25层的框架结构为例，如果将传统的混凝土楼板替换为所提出的楼板结构，将能够节省7500m2的混凝土，相当于1208辆混凝土泵车；20km直径为12mm的钢筋，相当于北京到上海的距离。

案例3：建筑屋顶结构创新设计和应用

Block教授提出了一种双层的双曲面混凝土壳屋顶，辅以柔性的可在现场主动控制的模板系统进行建造。该屋顶是一种轻巧的双曲面混凝土夹层结构，由两层厚度仅为5厘米和3厘米薄钢筋混凝土和10 厘米厚的保温层构成，各层之间由受压加劲肋和垂直拉杆组成的网格连接。这种双层结构屋顶的轻质和由高度弯曲的几何提供的高强特性，使屋顶可以通过五个支点稳固的站立，覆盖的面积达到120m2的空间。在屋顶的建造上，传统的非标准混凝土构件通常需要使用大量的定制模板，大量切割木材或铣削泡沫的一次性模具的生产既昂贵又浪费。然而，Block教授在所提出的屋顶系统的建造上采用了柔性模板，该模板基于大部分可重复使用的零件套件。模板的主要结构是电缆网，由单独切割的电缆段组成，这些电缆段连接在定制设计的节点上，在木制边界框架内张紧。薄织物膜被拉伸到电缆网上并连接到节点上，形成一个绷紧的表面，混凝土可以浇注或喷涂到该表面上。此外，Block教授介绍到，该系统的所有关键细节都是通过与行业专家和合作伙伴合作进行原型设计而制定的。所开发解决方案的原则被集成到与COMPAS一起实施的灵活的设计到制造的工作流程中。COMPAS是建筑工程和施工研究和协作的开源计算框架，作为关键创新的计算开发，协调和规划的中心枢纽，并提供有效的研究到实践转移机制

通过这次讲座，我们认识到Block教授采用“通过几何强化结构”的方法，提出了新的结构设计形式和建造方法，以减少隐性的温室气体排放并使用更少的新资源。Block教授提出的复杂结构设计方法为混凝土建筑结构注入了新的活力。此外，我们也能够认识到，3D打印技术和更多新的智能建造方法的发展，将会使人们设计、建造和建筑方式发生巨大的变化。

更多详情请参阅：

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

讲座录播链接：【The SIR Frontiers】学术前沿系列讲座第一季第五十四期：“重塑混凝土建造“

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来源于多样化结构实验室VSL

撰写：解兵林 姚显花

排版：李嘉晨

审核：胡  楠