汪建群　舒小娟　祝明橋

摘要：

3D打印在土木工程行業(yè)中具有良好的應(yīng)用前景，然而在目前的教學(xué)中鮮有涉及。第九屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)建模大賽中首次引入了3D打印節(jié)點(diǎn)裝配模型的制作。以湖南科技大學(xué)參賽作品為例，從3D打印節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和安裝等角度，闡述了3D打印在大學(xué)生結(jié)構(gòu)建模中的應(yīng)用。構(gòu)件由3D打印節(jié)點(diǎn)采用“卡”“插”“楔”“套”4種方式進(jìn)行組裝，效果良好。大賽對(duì)土木工程專業(yè)本科生普及3D打印技術(shù)、拓展專業(yè)視野具有較好促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：3D打?。唤Y(jié)構(gòu)建模；裝配式模型；節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G64242；TU-4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

10052909（2018）02011804

3D打印（3DP）是20世紀(jì)90年代新興的一種快速成型技術(shù)[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(shù)以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，打印機(jī)通過(guò)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(lái)構(gòu)造實(shí)體，打印的截面尺寸可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)精度。該技術(shù)的特點(diǎn)在于短時(shí)間內(nèi)可精確打印任何形狀的物品，因此，3D打印技術(shù)在構(gòu)造物體的三維幾何形狀方面優(yōu)勢(shì)顯著，目前已成功應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑結(jié)構(gòu)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[2]。

3D打印在土木工程中已有探索性的應(yīng)用，具備較好的應(yīng)用前景，但在教學(xué)中鮮有涉及。第九屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)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(pán)山公路的兩段曲直橋梁，涉及3D打印裝配式結(jié)構(gòu)，具有鮮明的高科技特征和綠色環(huán)保理念。文章以湖南科技大學(xué)參賽作品為例，從3D打印節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、優(yōu)化和安裝等角度，詳細(xì)闡述了3D打印節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)建模中的應(yīng)用。大賽對(duì)在土木工程專業(yè)普及3D打印技術(shù)等科技前沿知識(shí)具有較好的引領(lǐng)和促進(jìn)作用。

一、結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

（一）賽題解讀

第九屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)建模競(jìng)賽題目為山地橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及手工與 3D打印裝配模型制作[4]。要求制作一段盤(pán)山公路的A、B兩段橋梁。模型由作為底座的承臺(tái)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(tái)，由螺釘固定在承臺(tái)板上。A橋段要求所有構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)均采用給定的竹材與502膠水手工制作完成。B橋段要求結(jié)構(gòu)的桿件采用竹材和502膠水手工制作，節(jié)點(diǎn)及連接部件采用給定的ABS塑料3D打印而成，最終B橋段結(jié)構(gòu)由桿件、節(jié)點(diǎn)及連接部件裝配而成，裝配過(guò)程不允許使用502膠水。模型進(jìn)行兩次動(dòng)加載實(shí)驗(yàn)，具體的賽題細(xì)則詳見(jiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)拱結(jié)構(gòu)、梁格體系、斜拉體系、桁架結(jié)構(gòu)、懸索體系、多跨梁等多種方案進(jìn)行了比選[5]，最終選擇了結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定的多跨梁體系。經(jīng)多次制作和優(yōu)化，A橋段最終采用交錯(cuò)墩多跨梁，模型實(shí)物如圖2a所示，B橋段最終采用索-梁組合結(jié)構(gòu)，模型實(shí)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(cè)弧長(zhǎng)大，采用交錯(cuò)墩結(jié)構(gòu)，6跨布置，而內(nèi)側(cè)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(shè)置斜向邊纜，既作為主橋的重要受力結(jié)構(gòu)，又同時(shí)保障結(jié)構(gòu)的縱向穩(wěn)定。主跨的柔性橋面梁兼有梁與索的特點(diǎn)，位移小時(shí)梁特征明顯，位移大時(shí)則表現(xiàn)出明顯的索-梁組合特點(diǎn)。

二、3D打印節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)原則

B橋段采用3D節(jié)點(diǎn)裝配，對(duì)于3D節(jié)點(diǎn)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(wěn)定、表面光澤性好等優(yōu)點(diǎn)，但其密度大于竹材，打印速度較慢。兼顧重量和打印效率，節(jié)點(diǎn)不宜過(guò)多。如能實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)共用，則最好合并節(jié)點(diǎn)。該材料脆性明顯，容易脆裂。為了防止節(jié)點(diǎn)開(kāi)裂，各節(jié)點(diǎn)應(yīng)保證一定的厚度，同時(shí)在編制STL文件時(shí)，特別注意打印分層問(wèn)題和3D噴頭打印方向。此外，為控制節(jié)點(diǎn)重量，在側(cè)壁可合理設(shè)置孔洞。構(gòu)件設(shè)計(jì)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(yù)留釘孔，采用螺釘錨固。經(jīng)多次優(yōu)化，B橋段共設(shè)計(jì)44個(gè)3D節(jié)點(diǎn)，其中柱腳節(jié)點(diǎn)10個(gè)，橋墩橫向聯(lián)系節(jié)點(diǎn)18個(gè)，墩梁連接3D節(jié)點(diǎn)10個(gè)，主梁橫向聯(lián)系節(jié)點(diǎn)6個(gè)。

（二）3D打印節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

墩梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。小車在B橋段沿下坡方向行駛，墩梁節(jié)點(diǎn)需要將移動(dòng)荷載重量及其產(chǎn)生的荷載效應(yīng)傳至橋墩。主要的荷載效應(yīng)為豎向荷載和小車下坡時(shí)的摩擦反力，以及小車越過(guò)B橋段障礙物時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)荷載效應(yīng)，因此，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，主梁楔在節(jié)點(diǎn)的卡槽中，墩插入節(jié)點(diǎn)的方形預(yù)留孔中，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的承上啟下。為保證結(jié)構(gòu)在縱橋向的穩(wěn)定性，在主跨橋墩上設(shè)計(jì)了拉索。此時(shí)拉索節(jié)點(diǎn)和墩梁節(jié)點(diǎn)合并，拉索一頭卡在墩梁節(jié)點(diǎn)上，另一端卡在柱腳節(jié)點(diǎn)上。

柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。柱腳節(jié)點(diǎn)參考鋼結(jié)構(gòu)柱腳設(shè)計(jì)。柱腳節(jié)點(diǎn)如同“靴子”緊套在橋墩上，底面盡量開(kāi)展，增大接觸面積。部分柱腳節(jié)點(diǎn)需要錨固于承臺(tái)板上，應(yīng)預(yù)留釘孔。同時(shí)因該處受力復(fù)雜，應(yīng)增大截面厚度。部分柱腳節(jié)點(diǎn)直接置于承臺(tái)板上，設(shè)計(jì)得較為輕巧。部分柱腳設(shè)置有橫向聯(lián)系，或者設(shè)有主跨主墩拉索的錨固點(diǎn)，同一個(gè)柱腳節(jié)點(diǎn)功能盡量合并，以減輕節(jié)點(diǎn)自重。

橫向聯(lián)系節(jié)點(diǎn)。由于B橋主跨較大，為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，需在主跨設(shè)置橫向聯(lián)系。主跨的橫向聯(lián)系采用“卡”式連接，節(jié)點(diǎn)同時(shí)卡在主梁和橫向聯(lián)系上，實(shí)現(xiàn)橫向聯(lián)系的“附著”。高墩亦需設(shè)置橫向聯(lián)系，以提高受壓墩柱的穩(wěn)定性。該節(jié)點(diǎn)則“套”在墩柱上，同時(shí)橫向交叉聯(lián)系卡在節(jié)點(diǎn)上，亦實(shí)現(xiàn)橫向聯(lián)系的“附著”。

部分節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖以及實(shí)物圖分別如圖3和圖4所示。

三、模型參賽

經(jīng)過(guò)多次加載試驗(yàn)和優(yōu)化，B橋重量控制在100 g左右且能穩(wěn)定承受多次反復(fù)加載。整個(gè)模型重量可控制在200 g左右。B橋段3D節(jié)點(diǎn)打印及其組裝如圖5所示。需要強(qiáng)調(diào)的是，3D打印為分層打印且具有方向性，層與層之間粘結(jié)力較小，容易沿分層方向撕裂，所以即使同樣的節(jié)點(diǎn)在打印時(shí)要注意分析受力，合理選擇打印方向。此外，3D節(jié)點(diǎn)打印時(shí)間長(zhǎng)，且一般需要帶支撐打印，拆卸支撐時(shí)應(yīng)注意操作，否則容易破壞節(jié)點(diǎn)。

在最終的比賽中，3D打印節(jié)點(diǎn)工作穩(wěn)定，無(wú)開(kāi)裂、松動(dòng)、滑脫等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。團(tuán)隊(duì)代表學(xué)校首次參加比賽，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)模型取得了國(guó)家二等獎(jiǎng)的優(yōu)異成績(jī)。

四、結(jié)語(yǔ)

第九屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)建模大賽中首次引入3D打印技術(shù)，用于裝配式模型制作，有利于在土木工程專業(yè)本科生中普及科技前沿知識(shí)。以湖南科技大學(xué)參賽作品為例，從3D打印節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、安裝等角度，闡述了3D打印在大學(xué)生結(jié)構(gòu)建模中的應(yīng)用。兼顧重量和打印效率，3D節(jié)點(diǎn)不宜過(guò)多，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)功能統(tǒng)籌，并在側(cè)壁設(shè)置孔洞減重。為防止節(jié)點(diǎn)脆裂，應(yīng)保證節(jié)點(diǎn)厚度，同時(shí)注意合理設(shè)計(jì)分層和打印方向。構(gòu)件通過(guò)3D節(jié)點(diǎn)采用“卡”“插”“楔”“套”4種方式進(jìn)行組裝，效果良好。3D打印技術(shù)可進(jìn)一步應(yīng)用于土木工程空間模型快速成型等方面。 參考文獻(xiàn)：

[1]蘇功鶴.中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略定位與發(fā)展[D].天津：天津大學(xué)，2014.

[2]張學(xué)軍，唐思熠，肇恒躍.3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)[J].材料工程，2016，44（2）：122-128.

[3]陳慶軍，羅嘉濠，陳思煌，等.國(guó)內(nèi)外大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽總結(jié)及研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版），2012（Sup2）：173-177.

[4]全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽委員會(huì).2015年第九屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)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）