結構建模競賽3D打印節點的設計與優化

汪建群　舒小娟　祝明橋

摘要：

3D打印在土木工程行業中具有良好的應用前景，然而在目前的教學中鮮有涉及。第九屆全國大學生結構建模大賽中首次引入了3D打印節點裝配模型的制作。以湖南科技大學參賽作品為例，從3D打印節點的設計、優化和安裝等角度，闡述了3D打印在大學生結構建模中的應用。構件由3D打印節點采用“卡”“插”“楔”“套”4種方式進行組裝，效果良好。大賽對土木工程專業本科生普及3D打印技術、拓展專業視野具有較好促進作用。

關鍵詞：3D打印；結構建模；裝配式模型；節點設計

中圖分類號：G64242；TU-4文獻標志碼：A文章編號：

10052909（2018）02011804

3D打印（3DP）是20世紀90年代新興的一種快速成型技術[1]。3D打印與普通打印工作原理基本相同，不同的是采用金屬、塑料等可粘合材料作為“打印材料”。該技術以數字模型文件為基礎，打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀材料將截面逐層打印出來構造實體，打印的截面尺寸可實現微米級精度。該技術的特點在于短時間內可精確打印任何形狀的物品，因此，3D打印技術在構造物體的三維幾何形狀方面優勢顯著，目前已成功應用于工業設計、建筑結構、醫學等領域[2]。

3D打印在土木工程中已有探索性的應用，具備較好的應用前景，但在教學中鮮有涉及。第九屆全國大學生結構建模大賽中首次引入了3D打印裝配模型的制作，具有較大的難度和趣味性[3-4]。賽題要求制作一段盤山公路的兩段曲直橋梁，涉及3D打印裝配式結構，具有鮮明的高科技特征和綠色環保理念。文章以湖南科技大學參賽作品為例，從3D打印節點設計、優化和安裝等角度，詳細闡述了3D打印節點在結構建模中的應用。大賽對在土木工程專業普及3D打印技術等科技前沿知識具有較好的引領和促進作用。

一、結構模型設計

（一）賽題解讀

第九屆全國大學生結構建模競賽題目為山地橋梁結構設計及手工與 3D打印裝配模型制作[4]。要求制作一段盤山公路的A、B兩段橋梁。模型由作為底座的承臺板、給定的山體和制作的橋梁三部分組成。山體包括虎口、隧洞和棱臺，由螺釘固定在承臺板上。A橋段要求所有構件及節點均采用給定的竹材與502膠水手工制作完成。B橋段要求結構的桿件采用竹材和502膠水手工制作，節點及連接部件采用給定的ABS塑料3D打印而成，最終B橋段結構由桿件、節點及連接部件裝配而成，裝配過程不允許使用502膠水。模型進行兩次動加載實驗，具體的賽題細則詳見大賽文件[4]。模型三維示意圖如圖1（a）所示，參賽模型如圖1（b）所示。

（二）結構設計

對拱結構、梁格體系、斜拉體系、桁架結構、懸索體系、多跨梁等多種方案進行了比選[5]，最終選擇了結構性能穩定的多跨梁體系。經多次制作和優化，A橋段最終采用交錯墩多跨梁，模型實物如圖2a所示，B橋段最終采用索-梁組合結構，模型實物如圖2b所示。

A橋段直橋部分為單跨越主河道。彎橋段外側弧長大，采用交錯墩結構，6跨布置，而內側5跨布置。這樣布置主梁線形平順，受力合理，方便行車。B橋段采用索-梁組合體系。主橋墩設置斜向邊纜，既作為主橋的重要受力結構，又同時保障結構的縱向穩定。主跨的柔性橋面梁兼有梁與索的特點，位移小時梁特征明顯，位移大時則表現出明顯的索-梁組合特點。

二、3D打印節點設計

（一）設計原則

B橋段采用3D節點裝配，對于3D節點的要求極高。ABS 3D打印材料雖具有抗沖擊性、耐熱性、易加工、尺寸穩定、表面光澤性好等優點，但其密度大于竹材，打印速度較慢。兼顧重量和打印效率，節點不宜過多。如能實現節點共用，則最好合并節點。該材料脆性明顯，容易脆裂。為了防止節點開裂，各節點應保證一定的厚度，同時在編制STL文件時，特別注意打印分層問題和3D噴頭打印方向。此外，為控制節點重量，在側壁可合理設置孔洞。構件設計的組裝連接方式主要有“卡”“插”“楔”“套”4種，在部分需要固定的橋墩預留釘孔，采用螺釘錨固。經多次優化，B橋段共設計44個3D節點，其中柱腳節點10個，橋墩橫向聯系節點18個，墩梁連接3D節點10個，主梁橫向聯系節點6個。

（二）3D打印節點設計

墩梁節點設計。小車在B橋段沿下坡方向行駛，墩梁節點需要將移動荷載重量及其產生的荷載效應傳至橋墩。主要的荷載效應為豎向荷載和小車下坡時的摩擦反力，以及小車越過B橋段障礙物時產生的動荷載效應，因此，節點設計時，主梁楔在節點的卡槽中，墩插入節點的方形預留孔中，從而實現了節點的承上啟下。為保證結構在縱橋向的穩定性，在主跨橋墩上設計了拉索。此時拉索節點和墩梁節點合并，拉索一頭卡在墩梁節點上，另一端卡在柱腳節點上。

柱腳節點設計。柱腳節點參考鋼結構柱腳設計。柱腳節點如同“靴子”緊套在橋墩上，底面盡量開展，增大接觸面積。部分柱腳節點需要錨固于承臺板上，應預留釘孔。同時因該處受力復雜，應增大截面厚度。部分柱腳節點直接置于承臺板上，設計得較為輕巧。部分柱腳設置有橫向聯系，或者設有主跨主墩拉索的錨固點，同一個柱腳節點功能盡量合并，以減輕節點自重。

橫向聯系節點。由于B橋主跨較大，為增強結構穩定性，需在主跨設置橫向聯系。主跨的橫向聯系采用“卡”式連接，節點同時卡在主梁和橫向聯系上，實現橫向聯系的“附著”。高墩亦需設置橫向聯系，以提高受壓墩柱的穩定性。該節點則“套”在墩柱上，同時橫向交叉聯系卡在節點上，亦實現橫向聯系的“附著”。

部分節點設計圖以及實物圖分別如圖3和圖4所示。

三、模型參賽

經過多次加載試驗和優化，B橋重量控制在100 g左右且能穩定承受多次反復加載。整個模型重量可控制在200 g左右。B橋段3D節點打印及其組裝如圖5所示。需要強調的是，3D打印為分層打印且具有方向性，層與層之間粘結力較小，容易沿分層方向撕裂，所以即使同樣的節點在打印時要注意分析受力，合理選擇打印方向。此外，3D節點打印時間長，且一般需要帶支撐打印，拆卸支撐時應注意操作，否則容易破壞節點。

在最終的比賽中，3D打印節點工作穩定，無開裂、松動、滑脫等現象，實現了預期功能。團隊代表學校首次參加比賽，設計的結構模型取得了國家二等獎的優異成績。

四、結語

第九屆全國大學生結構建模大賽中首次引入3D打印技術，用于裝配式模型制作，有利于在土木工程專業本科生中普及科技前沿知識。以湖南科技大學參賽作品為例，從3D打印節點的設計、優化、安裝等角度，闡述了3D打印在大學生結構建模中的應用。兼顧重量和打印效率，3D節點不宜過多，設計時應功能統籌，并在側壁設置孔洞減重。為防止節點脆裂，應保證節點厚度，同時注意合理設計分層和打印方向。構件通過3D節點采用“卡”“插”“楔”“套”4種方式進行組裝，效果良好。3D打印技術可進一步應用于土木工程空間模型快速成型等方面。 參考文獻：

[1]蘇功鶴.中國3D打印產業的戰略定位與發展[D].天津：天津大學，2014.

[2]張學軍，唐思熠，肇恒躍.3D打印技術研究現狀和關鍵技術[J].材料工程，2016，44（2）：122-128.

[3]陳慶軍，羅嘉濠，陳思煌，等.國內外大學生結構設計競賽總結及研究[J].東南大學學報（哲學社會科學版），2012（Sup2）：173-177.

[4]全國大學生結構設計競賽委員會.2015年第九屆全國大學生結構設計競賽賽題[EB/OL]. [2015-09-25].http：//www.ccea.zju.edu.cn/structure/.

[5]邵旭東.橋梁工程[M].4版.北京：人民交通出版社，2016.

Abstract：

3D printing has a good application prospect in the civil engineering industry， while this frontier knowledge is not covered in the current teaching. 3D print node assembly model was first introduced in the ninth national structure contest for college students. Taking the competition works of Hunan University of Science and Technology as an example， the application of 3D print in structure design for college students was expounded from the point of design， optimization and installation. The structure was well assembled with 3D print node by sticking， inserting， wedging and interlinking. The competition would promote the popularization of 3D printing technology and expand professional vision for college students in civil engineering.

Keywords： 3D print； structure modeling； assembly model； node design

（編輯周沫）