瑞士科學家為減少混凝土推出3D打印纜索地板系統(tǒng)

建筑業(yè)是溫室氣體的最大貢獻者之一，因為全球三分之一的排放來自建筑業(yè)。這些溫室氣體中有很大一部分體現(xiàn)在地板系統(tǒng)所用的混凝土中，因此有各種正在進行的努力來減少建筑物中混凝土的使用。在不犧牲強度的情況下使用更少材料的關鍵是幾何形狀。拱是一個很好的例子：壓在拱頂部的重量分布在整個形狀中，因為它在消除拉應力的同時將力分解成壓縮應力。來自Block Research Group、建筑技術研究所（Institute of Architecture）和蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH Zurich）的一組研究人員利用3D打印技術將同樣的原理應用到混凝土地板上。

由于其層次性，3D打印材料的抗拉強度低于建筑行業(yè)中的大多數(shù)材料，但抗壓強度較高。通過在地板系統(tǒng)中設計肋和拱，團隊可以將推力轉換為壓縮力，這就是所謂的纜索系統(tǒng)。由Philippe Block和Tom Van Mele工程師們使用了一種ExOne S－Max沙子3D打印機建立體積為1．8×1．0×0．7米3D打印五件連接在一起。相鄰元素之間沒有使用機械連接。相反，原型的壓縮主導結構形狀允許使用簡單的界面設計，僅使用公 － 母互鎖特征來保證對齊，”該論文指出。

為了生成纜索形式，他們使用了推力網(wǎng)絡分析（TNA）及其軟件實現(xiàn)RhinoVAULT。他們在制造之前模擬了數(shù)百種不同的配置，制作了第一個3D打印砂地板，并經過了嚴格的測試，以確保材料符合規(guī)范和人們使用的安全。它運行良好，但只差3％就達到了要求的載荷標準，所以稍微修改了第二3D打印砂地板，這確實符合載荷標準。第三次迭代是一種不同的設計，它有更高的負載限制，但經歷了更大的撓度，團隊計算出的這個問題可以通過額外的預加載來解決。

他們的實驗表明，地板系統(tǒng)可以使用這些幾何形狀生產，這些幾何形狀比傳統(tǒng)混凝土板中使用的材料少70％。他們繼續(xù)他們的研究，并使用傳統(tǒng)的FDM 3D打印機創(chuàng)建模具，使他們能夠將索狀結構直接結合到混凝土地板中，放置在NEST HiLo（高性能，低能耗）項目公寓中，該項目具有可持續(xù)性和高科技性建筑方法。它正在瑞士的Dübendorf建造，并將容納來訪的ETH教員。

這些3D打印地板系統(tǒng)不僅可以釋放材料，還可以釋放可用于布線和導管的空間。 Block Research Group正與ETH的建筑與建筑系統(tǒng)實驗室合作，確定HVAC（加熱和冷卻）系統(tǒng)是否可以集成到地板中，這似乎很可能。令人遺憾的是，地板將被覆蓋，因為這些圖案在美學上令人愉悅。

如果沒有3D打印，減少材料使用的幾何形狀通常是不可能制作出來的。這并不是說建筑師和建筑工程師不知道這些形狀可以用在混凝土地板上使他們更堅固，而是這些形狀是難以置信的昂貴或不可能通過傳統(tǒng)方式創(chuàng)造。3D打印已經存在一段時間了，但一些面臨嚴格監(jiān)管、供應鏈和工作流建立時間較長的行業(yè)采用新技術的速度較慢。對于建筑行業(yè)來說，等待3D打印在建筑構件上的應用得到強有力的驗證是比較安全的，但是隨著3D打印技術在房屋、橋梁和其他混凝土減少方法上的應用，這些驗證越來越多，行業(yè)也開始關注。