數字化3D打印建筑模板的有限元分析及應用

李 辰

(寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021)

1 背景

隨著科學技術的不斷發展，自動化、數字化設計及制造正在影響著各個行業。在建筑領域，通過工程BIM相關軟件，可視化建筑設計使建筑師有機會完成更加復雜的建筑形態設計。然而隨著設計工具的不斷發展，建筑施工領域的高新制造技術卻止步不前，仍然沿用落后且低效的制作工藝，特別是對于復雜造型建筑，其施工技術難度較規則建筑大幅增加，成本隨之大幅上漲，導致許多情況下建筑師并不能完全按照自己的意圖進行建筑設計。以混凝土建筑為例，復雜造型混凝土建筑的模板一般使用鋼模板制作，其特點是制作難度大，周期長且成本高，而對于異形造型來說，模板使用次數遠遠小于周轉次數，導致浪費嚴重。在材料學飛速發展的今天，我們亟需尋找一種適應混凝土澆筑的新型材料及制造方法，一方面能夠解決現有復雜造型模板制作難度大的問題，另一方面能夠降低建筑施工對設計的制約問題。

2 數字化建筑模板

基于上述問題，通過對一種名為“粉末粘合劑噴射技術”的3D打印方法進行針對性研究，該方法目前主要在鑄造工業用于生產金屬鑄件鑄造用模具，其工作原理是使用三維設計軟件對建筑模板進行三維模型設計，完成后將模板模型使用切片軟件按照打印層厚進行切片，生成打印程序并輸入打印設備。設備按照既定程序將50目～100目的粉末硅砂材料以每層0.3 mm～0.5 mm的高度進行平鋪，之后打印頭在指定區域有選擇的噴射液體粘接劑，接觸粘接劑的區域砂粒之間粘接、固化，未接觸的區域仍為散砂，重復此過程直至打印完成，將未固結的材料去除，經過適當的表面處理后即可得到成型材料。

3 數字化建筑模板制作的可行性分析

3.1 材料性能試驗

3.1.1試樣設計

3D打印型砂材料屬于新材料范疇，沒有相應材料深入研究結論予以借鑒，由于3D打印材料的后處理滲透深度一般為10 mm以內，且考慮到建筑模板的應用工況，確定3D打印模板面板厚度為20 mm，因此選用金屬材料的性能試驗標準對標。試驗方法采用彎曲試驗，試驗試樣按照GB/T 232—2010金屬材料彎曲試驗方法，由材料供應廠家生產20 mm×40 mm×500 mm試塊，如圖1所示。

3.1.2加載裝置及試驗過程

使用德國茲韋克萬能液壓試驗機對3D打印試樣進行抗彎試驗，如圖2所示。試驗前，應先對萬能試驗機的測力系統進行校準，保證試驗精度，在試驗加載裝置裝配完成后，試樣放置前，應先設定測量系統的零點，一旦設置完畢后，在試驗期間不再發生變化。將試樣安放在試驗機的墊板上，保證接觸面平整，試樣的承壓面應與成型時的頂面垂直，試樣的中心應與試驗機下壓板中心對準，支輥間距300 mm，如圖2所示。所有試驗均在25 ℃左右的室溫下進行，加載速率采用位移控制，每分鐘變形0.5 mm，直至試樣破壞。

3.1.3材料彎曲試驗結果

所有的3D打印試樣都在標距內發生破壞，其破壞特點是到達破壞極限時從中部均勻豎直斷裂，并從斷面可看出材料內部分布均勻，材料鋪設致密性很高。將實驗數據匯總，在圖3試樣力—位移曲線可以看出，試樣的受力曲線是連續的，幾乎無屈服階段，到達破壞極限時從中部均勻斷裂，為典型的脆性破壞。

3.1.4材料彈性模量計算

由于3D打印材料內部結合特性無研究分析可借鑒，為了得到材料彈性模量，前期已經進行了壓縮試驗和拉伸試驗，得到結果均與實際相差甚遠，因此采用彎曲試驗進行分析計算。以跨中一個集中載荷下的最大撓度(位移)公式計算彈性模量。

跨中載荷下的撓度公式為:

將數據代入公式求E值，得到：

結果采用圖解法進行計算分析，從圖3在彈性直線段上讀取盡量遠的A，B兩點之間的壓力變化量和相應的變形變化量，以變形量為0.5 mm和2.5 mm所對應的壓力數據分別作為A，B點，將相應數據代入公式求得彈性模量結果并求平均值得到E=12 000 N/mm2。

3.1.5計算結果仿真對比

使用ABAQUS有限元分析軟件對試驗結果進行分析，按照試驗情況進行約束并布置載荷，分別選取受力300 N,600 N,900 N,1 200 N,1 500 N進行有限元分析，將得出結果與試驗結果進行對比，對比結果見圖4。由圖4可看出，數值模擬的變形曲線與實際試驗的變形規律相一致，最大誤差不超過10%，數值模擬的結果較為準確。可得出經試驗測算的3D打印材料彈性模量值是準確的，且數值模擬的結果是可信的。

經過其他平行試驗，可得出3D打印材料的力學性能如表1所示。

3.2 模板設計與仿真分析

表1 3D打印材料力學性能

彎曲模量EfN/mm2抗折強度FfN/mm2質量密度ρkg/m3泊松比γ12 00045.72 1000.25

3.2.1計算模型

以一個規則平面模板為例對3D打印模板進行建模分析，模板由面板和橫縱肋組成，厚度均為20 mm，橫縱肋中心間距取300 mm；模板長度設計為1 200 mm，支承支點間距500 mm的三點支承方式。采用ABAQUS默認的實體單元進行建模，由于默認連接方式是采用焊接組合的，但考慮到3D打印模板是一體制造的，不能將實體采用連接的方式進行組合，因此需要將模板整體建模為實體，將肋板空隙處采用布爾運算進行去除，得到整體模型文件。劃分單元時，采用標準四邊形單元，邊長取10 mm，有限元模型如圖5所示。分析中將3D打印模板的邊肋與支架之間的連接設定為鉸接的形式，中心約束三個方向平動自由度，兩邊約束Y軸和Z軸平動自由度，在模板面板上施加垂直向下的均布荷載，大小為60 kN/m2。

3.2.2計算結果

通過靜力有限元分析，得到圖6 3D打印模板的應力及變形圖。從圖6可看出，面板和肋的應力及變形均在支點的中心最大，向兩側依次降低，且呈中心對稱分布。橫縱肋之間相交處在支點中心的變形最大，向邊肋逐漸降低；應力為縱肋在支點中心的根部最大，向兩側支點方向逐漸降低。模板的應力分布規律與變形相一致。

通過分析最大應力為19.44 MPa<[f]=45.7 MPa，最大變形為0.38 mm<500/400=1.25 mm，均滿足模板使用相關要求。

從有限元分析可得，在60 kN/m2的荷載工況下，模板布肋300 mm，支點距離為500 mm的最大應力及變形均符合模板使用的需求，且60 kN/m2的承載力也滿足絕大部分的混凝土澆筑要求，材料強度完全滿足建筑模板的實際使用。

3.3 材料表面質量

造型材料通過表面打磨等工序，表面可達到鋼模板鏡面光滑效果，進而達到清水混凝土的模板表面質量要求(見圖7)。

3.4 造型最大尺寸

3D打印尺寸一般由打印平臺大小所決定，該打印設備已實現國產化，可打印最大尺寸為(2.5×1.5×0.7)m，完全符合建筑模板構件的尺寸要求及供貨需求。

4 數字化建筑模板制作的應用分析

4.1 幾何復雜性

傳統異形鋼模板需要將面板UV展開為平面進行切割后組焊，當曲面過于復雜軟件無法進行UV展開時，則該曲面無法使用鋼模板制作。而數字化制造的3D打印模板通過平鋪材料進行造型，由于累積的粉末材料本身可以起到支撐作用，所造型的復雜的曲面結構無需考慮打印支撐的方法及形式，并且增加的幾何復雜性既不會造成更長的生產時間，也不會造成更高的成本。

4.2 與BIM協作的三維設計

在完成工程BIM設計后，通過數據交互傳輸，將建筑三維模型傳輸至模板設計軟件直接進行模板工程三維設計，對于模板工程設計中發現的建筑設計問題可以在前期進行反饋及設計變更，避免不必要的返工及成本浪費。

4.3 制造周期

傳統鋼模板制作需要進行相應的深化設計及面板及肋板的下料、切割、焊接及表面處理等多個工序協作，模板制作周期非常長，通常需要施工單位提前3個～4個月進行定制采購，遇到不可抗力及其他特殊情況極易造成項目工期拖延。而數字化3D打印模板可將模板的面板和肋板設計成為一體的三維模型，設計完畢后按模板體量一般7 d～15 d即可完成實體造型的制造，無需再進行其他材料組合工序，生產周期較傳統模板提升巨大。

5 結語

在建筑設計及施工中，傳統的施工方式嚴重影響了建筑設計的復雜程度，本文通過對數字化3D打印模板在建筑行業應用下的材料試驗及仿真分析，經過針對性的對比研究，該造型方法其造型尺寸、構件強度及表面質量等特性均適合于建筑模板的制造，證明3D打印模板完全滿足強度使用需求，再通過模板可行性及應用特點的分析，將數字化設計和制造技術應用到建筑工程建設中，極大地降低了復雜造型建筑的施工難度，可有效提升建筑施工質量，為建筑行業智能化制造提供了一個有效的解決方案。