数字混凝土：梦想还是现实？新的绿色怪物还是生态怪物？

演讲者：Robert J. Flatt 教授，瑞士苏黎世联邦理工学院建筑材料研究所建筑材料物理化学教授

主持人：瑞士洛桑联邦理工学院 Karen Scrivener 教授

RILEM 的使命是推进与建筑材料、系统和结构相关的科学知识，并鼓励在世界范围内传播和应用这些知识。

这一使命是通过包括学者、研究人员、测试实验室和当局在内的建筑实践和科学领域的顶尖专家的合作来实现的。

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当然可以！以下是删除时间点并翻译成中文的内容：

简介

下午好，很高兴有机会为 Rylan 举办这次关于数字混凝土的网络研讨会。我添加了一个副标题：问题——梦想还是现实？新的绿色或生态怪物？我将在整个演讲中尝试解决这些问题。

概述

作为概述，我将首先解释为什么我们会对数字化制造混凝土感兴趣，这可以如何实现，面临的挑战是什么，以及数字混凝土是否可持续。

混凝土的数字化制造

我要提出的第一个观点是，有许多项目涉及混凝土的数字化制造，其中一些最近展示的项目确实达到了大规模和相关的应用。为了让大家了解数字混凝土项目多年来的增长情况，我向大家展示了 Boswell 等人论文中的这张图表，显示了该领域项目的指数增长。但我们现在要处理的问题是，为什么我们真的想使用数字化制造，特别是混凝土的数字化制造？

为什么要进行数字化制造？

我会说，如果我们回到最初的动机，这与 CAD 程序有关，使建筑师能够设计各种新颖有趣且更复杂的结构，但当时没有能力建造这些结构。问题是，先进的制造和机器人技术能否提供改变这种情况的可能性？机器人技术能否用于建筑行业的大规模制造？

我认为还有一个新的动机，这与可持续性有关。我想看看这是否可信，以及在什么情况下它可能变得可信。为了研究这个问题，让我们使用这个非常简化的方程，认为建造一个结构的总影响与使用的材料量、材料影响和使用寿命有关。

从材料科学的角度来看，我们可以为混凝土降低熟料含量，可以使用回收材料。我相信在城市建设中也有可能使用环境足迹非常低的材料，但也有许多问题需要解决。使用寿命显然非常重要，这里材料科学的耐久性是一个需要进一步研究的核心主题。还有设计可重复使用和可回收性的方面。一般来说，制定基于性能的标准显然非常重要。

在这个领域，数字化制造可以发挥作用，它涉及智能设计、精益施工，我认为是更好的施工，使用有限的材料资源。我还认为，数字化可以帮助实现更好的结构形状设计，并计划可重复使用。所有这些方面实际上是相互关联的，特别是如果你要改变一种材料，例如用于数字化制造，你肯定不希望它缩短使用寿命。

一个长使用寿命和良好材料设计的例子是我们的参考结构——万神殿，在那里材料科学和良好的工程设计被有效地使用，导致了这个非常持久的结构。后来，我们有例如剑桥国王学院的这个非常令人印象深刻的拱顶结构，使用最少量的材料，得益于非常聪明的设计，最大化压缩力，提供了一个仅使用最少量石材的拱顶。

这已经成为许多建筑师的灵感来源，我特别想强调 Pier Luigi Nervi 的工作，这种肋骨地板系统可以看作是一种华夫格结构。这里有趣的是，当时劳动力便宜，材料昂贵，所以这些类型的结构在经济上是有意义的。然而，今天生产它们的成本很高，因此我们转向更具成本效益的结构，使用有限的劳动力。

数字化制造的主题是，是否可以通过新的制造工艺复兴这些使用有限材料的结构。这是许多现代建筑师的灵感来源，包括 ETH 的 Block 教授，这里你可以看到他设计并实际建造的一个功能性肋骨地板系统的例子，最近在 Empa 的 HiLo 中建造的。

那么这对我们意味着什么呢？正如 Wengler 博士等人在 2019 年 CCR 论文中总结的那样，对于普通建筑，我们的成本与复杂性关系大致如下，随着复杂性的增加，成本急剧增加。对于数字化制造，我们从低复杂性元素的较高成本开始，但额外的复杂性几乎不增加成本，这给了我们一个盈亏平衡点，在此之后，数字化建造变得具有成本效益。

然而，我们必须通过研究降低数字化制造的价格，使这些工艺更有效，在这样做的过程中，我们将盈亏平衡点向左移动，增加了具有成本效益的结构范围，使其更具成本效益，使用更少的材料建造。这是研究和开发预期带来许多好处的地方。

在了解了数字化制造的动机之后，我想现在概述一下各种数字化制造混凝土的工艺。这里的开创性工作来自南加州大学的 Kosmatka 教授，他提出了轮廓成型工艺。这是一种挤出打印工艺，随着 Winsun 公司在中国的成就，特别是在 24 小时内打印了 10 栋房屋，并创造了全球轰动，这一工艺真正登上了世界大多数报纸的头条。从那时起，各种项目已经开发或正在建设中。这里有埃因霍温的行人和自行车桥项目，以及我们在埃因霍温大学的同事们正在进行的房屋开发项目。

这里是一个为瑞士阿尔卑斯山的舞蹈表演场景打印的异国形状柱子的例子，这实际上是我们现在正在规划的一个 25 米高的塔的概念验证，具有相当特殊的建筑设计。另一种工艺是粉末床打印，由 Enrico Dini 在建筑领域开创。

粉末床打印

粉末床打印由 Enrico Dini 和他的公司 T-shape 在建筑领域开创。其理念是铺设粉末床，然后用巨大的喷墨打印机在需要粉末硬化的地方喷射液体。一旦完成，移除未固化的粉末，这样就可以制作出相对非常规且难以生产的几何形状的物体，特别是在悬垂部分。

该工艺已被大规模用于生产马德里的这座人行桥。虽然它由钢结构支撑，但作为首次实现，我认为这是可以接受的。

为了突出粉末床打印所允许的分辨率水平，我想展示这个在巴黎蓬皮杜中心展出的数字怪诞2号，并放大展示其精度。当然，问题是为什么要这样做？实际上，除了美学原因外，还可以制作由于悬垂或空腔而更复杂的物体，这些情况是我们可能对这种工艺感兴趣的地方。

一种选择是使用这种砂床打印来生产混凝土的模具，结果的形状如图所示。这些是 Empa 的 DFAB House 的预应力板的元素，图中展示了该房屋的照片，欢迎访问其网站。在这座房屋的一楼内部，有各种使用不同数字化制造工艺生产的混凝土物体。

这里的屋顶模具是通过粉末床打印生产的。这里是所谓的网格模具，机器人用钢筋创建了一个钢筋笼，然后填充混凝土。这里的柱子实际上是支撑窗户的竖框，通过所谓的智能动态铸造生产。智能动态铸造的第一个版本在这个视频中展示，随着机器人向上移动，这部分模具被填充混凝土，一旦混凝土释放出来，它必须足够坚固以支撑上面的材料，并且随着时间的推移，其强度必须增加以承受额外的负荷。

这个过程让我们想到另一种选择，即使用非常弱的模具，可以简单地用可回收塑料进行3D打印。这里展示了一个例子，这种方法的好处是可以生产相对普通的加固系统，工程师容易批准，因此在结构完整性方面，比挤出打印更简单。我将在后面阶段回到结构完整性的概念。

这里展示的这个物体是我们实验室生产的混凝土柱，用作未来树形亭的基础，位于瑞士苏黎世附近的 Baseline Hoffmann 工程公司翻新总部。同样的工艺被用于创建这个由三个元素组成的异国预应力结构。我喜欢展示这个物体，以强调这种3D打印模具允许我们在混凝土中实现的几何复杂性。

然而，这种3D打印模具需要时间，你可能会认为它也会产生大量废料。所以让我们看看更简单的系统，几乎是最便宜的，就是超市里的塑料薄膜。这个视频展示了我们称之为添加剂控制数字铸造的过程，你会看到混凝土被倒入这种不会变形的塑料模具中，因为喷嘴中添加了加速剂，帮助材料在沉积后立即变硬，避免产生任何实质性的静水压力。

唤醒水泥

这将唤醒这组人，唤醒水泥，使其开始水化，增强强度，并能够支撑新沉积材料上的额外层。这可以通过多种方式完成，可以使用数字铸造、分层挤出，也可以喷涂涂层。所有这些基本上都依赖于某种程度的混凝土缓凝，具体取决于你是准备大批量还是连续混合系统。

然后通过混合室，材料被放置，开始水化并增强强度。这一概念基本上是你在各种类型的专利中找到的混合物，我不想深入细节，只是给你一些参考资料，以防你对此感兴趣。

从概念上讲，我想向你推荐 Wengler 等人在技术信件中撰写的参考论文。这里的想法是，我们用混凝土高度来表示混凝土的承载能力。最初，仅通过触变性，我们只能承载约50到70厘米的高度，具体取决于你如何操作的细节。但随后我们有一个时期，材料不会硬化，如果你不采取措施增强强度，所能达到的高度非常有限。

这在视频中有所展示，当达到特定高度时，下面的材料开始坍塌，额外的层被尝试性地沉积。因此，我们需要这种设定控制，即我之前定义的按需设定。

开发数字化制造工艺的问题是如何测量这一点。为此，我想简要介绍一些工作，特别是在 Lex Writer 的博士论文和准备中的手稿中，我们使用穿透技术，无论是快速还是缓慢，基本上通过推针进入材料的阻力，可以获得随时间变化的强度。你会看到穿透深度对结果没有太大影响，但随着时间的推移，强度增加，这基本上是我们想要测量的。

你可以只使用一根针，慢慢地推入材料，如果这样做，你会得到一个可重复的过程，不同混合物的强度随时间增加，并且可以连续表征材料的强度增长。这是一种非常有用的方法，我将很快展示一些用途。

数字混凝土的可持续性

最后，我要讨论数字混凝土是否可持续。几个要点，大多数数字混凝土必须泵送，因此我们必须去除粗骨料，这增加了浆体的体积。此外，由于需要快速增强强度，许多情况下通过降低水泥比来获得一些强度，这也增加了每单位体积的熟料含量。这种混凝土熟料含量的增加需要通过设计使用更少材料的结构来补偿，但熟料过多会使这一点变得更加困难。因此，重要的是在材料上进行工作，例如在这些用于数字化制造的混凝土中加入补充胶凝材料。

这里我想举一个最近出版物中的例子，我们使用了一种仅含50% OPC 的水泥混合物。你在第一个图表中看到的是超声波测量，用于指示不同加速剂如何激活该系统的水化。特别是在插图中，你会看到这些加速剂在早期增强强度方面的能力非常好。

在抗压强度方面，好消息是使用这些加速剂不会改变2到28天的抗压强度。因此，我们可以使用这些系统，激活我们的混合水泥，但非常重要的是，这种打印的混合水泥在打印过程中是否稳定，答案是肯定的。

我们使用了一种在那篇论文中详细描述的方法，使用我之前提到的那种测力计测量，定义了根据垂直打印速度所需的强度增长率。通过这些测量，我们基本上可以确定我们的打印材料硬化速度足够快，可以以非常体面的速度垂直打印柱子。

这里是混合设计的一个例子，这里是打印材料的一些照片，每立方米含300公斤 OPC，非常类似于相对较好的普通混凝土，尽管与高度混合的混凝土相比仍然较高，但与以前用于3D打印混凝土的混合设计相比，减少了超过一倍。

领域中的大问题

在更广泛的范围内，领域中仍然存在许多悬而未决的问题。我们会选择现场制造还是预制？我们会针对无筋砌体还是钢筋混凝土？我们会选择高端结构还是普通建筑？可靠性特别是结构完整性会如何？我强调了在某些工艺中更容易加入普通钢筋，并且工程师更容易批准。检查越复杂，解决方案的市场相关性就越低，成本就越高，进入全球市场就越困难。

可持续性

我强调了为什么许多打印混凝土配方具有高熟料含量，但我也展示了许多改进的可能性。关键问题是基准是什么？这种打印混凝土的耐久性是否会改变？它们的环境足迹是什么？特别是，我们应该如何将其与相关基准进行比较？成本会是多少？如果我们带着一个非常有威胁的解决方案进入市场，市场会如何反应？普通工艺会适应，我认为这是我们不应忘记的事情。

与众不同 - 建造不同

我告诉我的学生要与众不同，建造不同，但要建造安全、耐用、环保且价格合理或足够便宜的建筑。要解决许多需求，需要许多学科的合作才能成功。因此，我认为跨学科在数字化制造中尤为重要。我想用这张幻灯片来强调这种跨学科的必要性。

感谢您的关注

特别感谢瑞士国家科学基金会资助了数字化制造国家研究中心，我在整个演讲中展示的许多例子都来自该中心。

数字混凝土会议 2018, 2020

最后，我想为2018年和2020年的数字混凝土会议提供一些参考资料。这些会议在《水泥与混凝土研究》上有特别期刊，也有会议论文集和许多演讲的录音，特别是特邀和主题演讲。

最后，我要强调的是，2022年将在拉夫堡举行数字混凝土会议，我们期待看到所有社区成员，并希望有更多热情的研究人员为这一领域做出贡献。

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