（一） 項目簡介
運用拓撲優(yōu)化技術，對傳統(tǒng)的鋼筋混凝土柱進行結構優(yōu)化，提高其承載能力與美觀程度，接著將優(yōu)化成果與傳統(tǒng)結構進行對比實驗，對實驗數(shù)據(jù)進行分析，最終發(fā)表學術論文一篇。
（二） 研究目的
1）采用先進拓撲優(yōu)化設計技術對普通柱結構進行優(yōu)化，即提升承載力性能，又使外形更加美觀。
2）利用混凝土3D打印設備，解決傳統(tǒng)技術條件無法滿足經拓撲優(yōu)化后柱的建造需求的問題。
（三） 研究內容
1） 基于Ansys軟件對普通柱結構進行拓撲優(yōu)化，得出多種優(yōu)化方案，并進行分析比較；
2） 利用3D打印技術建造優(yōu)化后的混凝土柱模型；
3） 與普通混凝土柱開展對比試驗，對3D打印混凝土柱的受力性能進行深度研究。
（四） 國、內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)
3D打印技術出現(xiàn)在20世紀90年代中期，實際上是利用光固化和紙層疊等方式實現(xiàn)快速成型的技術。3D打印技術日益完善，不僅可以打印小件物品，而且這項技術甚至可以徹底顛覆傳統(tǒng)的建筑行業(yè)。2013年1月，荷蘭建筑師Janjaap Ruijssenaars與意大利發(fā)明家Enrico Dini（D-Shape 3D打印機發(fā)明人）一同合作，他們計劃打印出一些包含沙子和無機粘合劑的6×9（米）的建筑框架，然后用纖維強化混凝土進行填充。最終的成品建筑會采用單流設計，由上下兩層構成。該工程在2014年完成。
 
3D打印混凝土建筑框架 3D打印混凝土步行橋
2019年1月12日，世界最大規(guī)模3D打印混凝土步行橋在上海落成啟用，該步行橋全長26.3米、寬度3.6米，借取了中國古代趙州橋的結構方式，采用單拱結構承受荷載，拱腳間距14.4米。工程由清華大學(建筑學院)——中南置地數(shù)字建筑研究中心徐衛(wèi)國教授團隊設計研發(fā)，并與上海智慧灣投資管理公司共同建造。
盡管近年來許多國內外的科研機構及建造公司致力于3D混凝土打印建造的技術攻關，但還沒有真正將這一技術用于實際工程。上海3D打印步行橋的建成，標志著該技術從研發(fā)到實際工程應用邁出了可喜的一步，也標志著中國3D混凝土打印建造技術已跨入世界先進水平。
3D打印混凝土結構配筋方式的發(fā)展現(xiàn)狀：
3D打印混凝土結構的鋼筋一體化技術發(fā)展較慢。目前采用的打印材料主要是以混凝土為基材，存在著抗拉強度低、抗裂性能差、構件易脆性破壞等問題。為改善3D打印混凝土結構的性能，很多學者提出了一些改進措施，如在混凝土中摻和纖維[12]，通過不連續(xù)離散纖維的摻入可以提高打印混凝土的強度和韌性，但對材料延展性會有一定影響。Jian Hui Lim等[13]通過在噴嘴擠壓砂漿時直接夾帶連續(xù)鋼索（圖3），從而形成混合增強材料，提高地質聚合物復合材料的抗彎強度和延性；并對配置不同的鋼索進行了試驗，結果表明，鋼索的加固使3D打印混凝土的抗彎強度提高了290%，但對最優(yōu)的配筋位置、形狀和材料還需進一步研究。Guowei Ma等[14]也提出了3D打印水泥基材料的同步植筋方法，并研制了一種新型的微筋增強地聚合物復合材料。這與Jian Hui Lim等[13]采用的方式相似，通過在打印頭側面開洞，邊擠出混凝土邊伸入鋼絲，以提高打印混凝土結構的力學性能。但此方法所插入的鋼筋直徑不能過大，一般不超過2mm。這些配筋技術能否適用于承載力要求高的大跨度結構等，還有待進一步驗證。Asprone D[15]等采用3D打印混凝土技術制作了一根鋼筋混凝土梁。通過將鋼筋混凝土梁分割成不同混凝土部件進行單獨打印，然后通過體外張拉預應力筋組裝成一個完整的鋼筋混凝土梁構件。而另一種思路，即采用3D打印混凝土作為傳統(tǒng)鋼筋混凝土的模板[16]，放入鋼筋籠后澆筑混凝土，但這種方式需要人工參與過多，未能充分發(fā)揮3D打印混凝土自動化建造的真正優(yōu)勢。
上述這些配筋方式的提出，為3D打印混凝土結構中布置鋼筋提供了很好思路。但迄今為止，還沒有開發(fā)出一種利用現(xiàn)有的3D打印混凝土技術生產傳統(tǒng)的鋼筋混凝土構件(即由混凝土和鋼筋組成)的有效方法[5]，只能在局部采用鋼筋網片或鋼筋進行加強。原因包括現(xiàn)有打印技術多為單組份材料打印，對于多種材料打印或雙組份方式進行打印的技術還有待發(fā)展；再者，金屬粉末打印材料價格高昂，對于建筑物這種大體量的模型，直接打印鋼筋成本將非常巨大。另外，傳統(tǒng)的鋼筋加強系統(tǒng)(以硬、直、粗鋼筋或鋼筋桿的形式)在3D打印過程中對特定或復雜的形狀也缺乏適應性。
另一種新型技術，拓撲優(yōu)化因其不依賴初始構型及工程師經驗，可獲得完全意想不到的創(chuàng)新構型，受到學者以及工程人員的廣泛關注。通俗地講，拓撲優(yōu)化就是利用優(yōu)化的手段，尋找結構內部哪里需要布置材料，布置何種材料，在保證一定約束下獲取最優(yōu)的性能。然而，拓撲優(yōu)化結果幾何構型復雜，采用傳統(tǒng)建造工藝制備非常困難，因此拓撲優(yōu)化方法與實際工程結構設計之間仍存在較大的鴻溝。而將其與3D打印混凝土技術一起使用，則是一樁天作之合,其發(fā)展創(chuàng)新設計技術具有廣闊的前景，已引起學術界的廣泛關注。
梁拓撲優(yōu)化案例
Arup ,一家因建筑領域標志性作品而聞名全球的跨國咨詢公司，該公司一直研究采用3D打印混凝土技術與拓撲優(yōu)化技術結合的可能性，Arup將優(yōu)化設計與增材建造結合應用于建筑行業(yè),目前，國內也有一些專家學者們，對類似的項目進行了研究。華僑大學楊志藝結構拓撲優(yōu)化是為了在滿足負荷要求前提下通過尋找最優(yōu)力學體系或材料分布來減輕自重或體積,從而達到材料最少或者經濟節(jié)約的目的。
參考文獻
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（五） 創(chuàng)新點與項目特色
拓撲優(yōu)化后柱的幾何構型復雜，采用傳統(tǒng)工藝建造非常困難，即使?jié)M足了建造需求，但其成果可能無法達到預期的性能效果，甚至比傳統(tǒng)建造產品性能差。
3D打印混凝土技術緊密融合數(shù)字化建模技術，使復雜曲面結構的建造成為可能。它顛覆了傳統(tǒng)建造技術的局限，解決了產品研發(fā)存在的“設計受限于建造技術”的問題。
因此，將拓撲優(yōu)化（先進設計技術）與3D打印混凝土技術（先進建造技術）融合，可以充分發(fā)揮兩種技術的優(yōu)點，并可以大大降低成本，節(jié)約材料，減少人工投入，高效節(jié)能，對發(fā)展創(chuàng)新設計技術具有廣闊的前景。
（六） 技術路線、擬解決的問題及預期成果
一．運用極限狀態(tài)設計法，設計鋼筋混凝土柱結構，使用Ansys軟件對承重柱結構進行拓撲優(yōu)化，考慮不同的偏心矩得出多種優(yōu)化方案。
二．通過簡單的材料實驗找到最優(yōu)配合比，運用3D打印混凝土軟件及機器制作優(yōu)化后模型柱，澆筑養(yǎng)護傳統(tǒng)鋼筋混凝土承重柱。
1、找到最優(yōu)配合比：
混凝土配合比設計在滿足結構設計對混凝土強度、流動性和凝結時間的基礎上進行改進實驗。如選取不同的外加劑、水灰比、砂率等等進行試驗。經過試配、性能測試結果選定基準配合比, 再通過打印試驗驗證配合比的可行性后確定最終配合比。
(1) 首先通過控制變量法保證砂率不變, 改變水灰比, 得到水灰比對流動性的影響；隨后選擇固定水灰比，改變砂率，得到砂率對流動性的影響；最后通過坍落度試驗, 對比各個不同配比下混凝土的流動性, 并且通過由針孔和針筒組成的噴頭來進行模擬擠出過程, 從而選擇出最優(yōu)配比的混凝土材料。
（2）外加劑的選擇：速凝劑、減水劑、碳纖維或鋼纖維。進行對照試驗，比較不同外加劑對材料成型的影響。速凝劑可以加快混凝土凝結時間，同時為了抑制強度降低趨勢加入碳纖維或者鋼纖維。通過對照試驗得到最佳添加量。
2.進行3D打印建造
（1）3D打印主要工作原理是利用計算機將要打印的建筑進行模型分割, 并將三維圖形信息轉化成打印路徑及速度信息, 然后由數(shù)控程序控制打印設備, 使打印頭按照計算機預先處理好的路徑運動, 打印頭擠出的打印材料逐層疊加，從而實現(xiàn)數(shù)字化建造
（2）建筑3D打印控制軟件主要實現(xiàn)輸料智能控制、布料智能控制和打印路徑控制。其涉及機械設備、自動化控制、軟件開發(fā)等多個專業(yè)技術領域?；炷?D打印主要分為5個步驟:混凝土配合比設計→混凝土制備→數(shù)字建模并打印成型→成品養(yǎng)護。
三．對兩試件分別進行相關性能的對比試驗，記錄數(shù)據(jù)，對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并得出結論，根據(jù)結論進行優(yōu)化改進。
主要進行偏心受壓柱正截面承載力測定
(1)準備工作
試驗共制作了2根試件, 截面形狀為矩形, 尺寸根據(jù)設計確定，縱向鋼筋選用6根直徑為16 mm的帶肋鋼筋, 箍筋采用?8@100, 試件共分2組, 偏心距為20，40 mm，分別為鋼筋混凝土柱、3D混凝土打印柱。
(2)試驗方法
試驗是在500 t的液壓試驗機上進行, 為了保證試件的加載位置和兩端的自由轉動, 試件的上下兩端均采用單刀鉸支座, 試驗中采用千分表測量試件的跨中側向撓度, 試驗機自帶傳感器采集豎向撓度.
試驗裝置簡圖
（3）材性試驗詳參軸心受壓構件正截面測定時的數(shù)據(jù)
（4）大小偏壓的判定
技術路線:
技術路線流程圖
預期成果：獲得經優(yōu)化設計并建造完成的3D打印混凝土柱、發(fā)表論文一篇。
（七） 項目研究進度安排
l 2019年進度安排及目標
1. 目標
1) 熟悉掌握以Ansys為核心的有限元軟件進行拓撲優(yōu)化；
2) 使用3D打印混凝土軟件及儀器打印優(yōu)化后的混凝土柱，與傳統(tǒng)試件進行相關性質的對比試驗。
2. 進度安排
1) 2019年1月-6月，完成承重柱的結構設計與拓撲優(yōu)化處理；
2) 2019年7月-12月，完成模型制作與對比試驗，并進行數(shù)據(jù)記錄。
l 2020年進度安排及目標
1. 目標
歸納實驗結果，根據(jù)不同的數(shù)學統(tǒng)計方法，將實驗數(shù)據(jù)對比分析，根據(jù)實驗結果對3D打印混凝土技術作出改進，對此次技術革新的可行性得出結論。
2. 進度安排
2020年1月-6月，完成對實驗結果的數(shù)據(jù)分析，提出改進方案，完成一篇關于“3D打印混凝土技術基于拓撲優(yōu)化后柱的承載能力分析”論文。
（八） 已有基礎
1. 與本項目有關的研究積累和已取得的成績
本項目成員通過與研究生學長、導師的交流，完成了項目前期的預研工作，對3D打印混凝土技術和拓撲優(yōu)化方法有了一定的認識，具備一定的科研條件。
申請團隊及其指導團隊長期以來一直致力于大型復雜結構分析與設計方面的研究，完成了較多的積累，對大型鋼筋混凝土拱結構的分析與設計已有較多研究。同時，對服役構件微損傷的非線性聲學檢測，復雜關鍵部件微裂紋的非線性AU檢測與評估等方面也做了大量的研究工作；完成了多項大型結構的靜力加載試驗、抗震性能試驗等工作，且多次應用通用有限元分析軟件進行鋼筋混凝土拱橋、鋼筋混凝土框架結構等實體工程的優(yōu)化設計，解決了多項工程技術難題。
最近，指導團隊與國內外從事3D打印混凝土技術方面的專家開展了較多的交流，并主持了關于3D打印混凝土結構設計優(yōu)化的重點學科資助項目1項，具備了較好的研究基礎。目前，已發(fā)表與申報項目密切相關的期刊論文40余篇，其中SCI/EI收錄30余篇；獲省部級科技獎4次。
2. 已具備的條件，尚缺少的條件及解決方法
1）已具備的條件
學院已采購一套混凝土3D打印設備，該設備可用于從復合材料到混凝土制品、工藝品、構件等多種試樣的試驗研究，同時還適用于超復雜的大尺寸建筑構件的設計制作，可滿足本項目試驗所需。本單位擁有多套大型結構分析軟件ABAQUS、ANSYS等的正版權，可滿足本項目中計算分析的要求；且數(shù)據(jù)庫資源豐富，能及時檢索到最新的研究資料，這些均為項目的開展提供了條件。
另外，申請團隊所依托的長沙理工大學結構試驗中心，擁有“南方地區(qū)橋梁長期性能提升技術”國家與地方聯(lián)合工程實驗室、“橋梁工程安全控制”教育部重點實驗室，配備齊全了主要的工程材料試驗、結構試驗與工程檢測的儀器設備，如MTS大型結構試驗系統(tǒng)、10000kN的電液伺服壓剪試驗機、FCS電液伺服加載系統(tǒng)、靜力數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)TDS-303(日本)、動態(tài)信號采集處理系統(tǒng)、Leica全自動變形觀測系統(tǒng)(瑞士)等設備。
 
3D打印機 攪拌系統(tǒng)
 
3D打印混凝土成品圖
2）缺少的條件
①為了使優(yōu)化后的柱結構具有更優(yōu)的承載能力，我們需解決在考慮壓彎情況下，拓撲優(yōu)化后柱如何配筋的問題，現(xiàn)階段的3D混凝土打印技術目前采用的打印材料主要是以混凝土為基材，存在著抗拉強度低、抗裂性能差、構件易脆性破壞等問題，而目前3D打印混凝土結構的鋼筋一體化技術發(fā)展較慢，配筋技術仍然處于不成熟的階段。
②由于經拓撲優(yōu)化后的柱體普遍具有復雜曲面的形式，為了避免3D混凝土在打印過程中出現(xiàn)坍落速度過快，凝結速度慢，混凝土各層粘結力不足的問題，我們必須根據(jù)優(yōu)化過程中可能出現(xiàn)的問題，確定混凝土的最優(yōu)配合比、以及考慮外加劑的添加或其他新型材料的選用。
3）解決辦法
①參考國外技術的一些發(fā)展動態(tài)，并結合實際條件，可相應的采取一些辦法，例如通過在打印頭側面開洞，邊擠出混凝土邊伸入鋼絲等方法，亦或者在局部采用鋼筋網片或鋼筋進行加強，及在后期加預應力，增強其整體強度。
②從改善混凝土的強度入手，從而避免配筋的問題，例如考慮速凝劑、減水劑、碳纖維或鋼纖維的利用，通過在混凝土基材中加入纖維材料和細骨料的方法來提高其抗拉強度和各項性能指標。
③混凝土配合比設計在滿足結構設計對混凝土強度、流動性和凝結時間的基礎上進行改進實驗。如選取不同的外加劑、水灰比、砂率等等進行試驗。經過試配、性能測試結果選定基準配合比, 再通過打印試驗驗證配合比的可行性后確定最終配合比。
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