A. Anton / C. Lin / M. Yang 
DBT集团(ETHZ)的柱体制造

研究与创新

白塔展示了计算设计、数字制造、结构工程和材料科学领域的开创性进展,旨在推动可持续建筑发展。技术创新包括采用3D打印混凝土进行结构应用,其特点是薄壁、材料高效的组件,以及模块化施工以实现未来再利用。这些研究领域的创新将根本性地改变建筑行业,为更可持续的建筑实践铺平道路。通过与建筑学、结构工程学、材料科学和机器人技术领域的专家进行跨学科合作,这些创新得以实现,专家们通过其创新性贡献推动了这些进展。

3D混凝土打印

在3D混凝土打印技术中,机械臂通过喷嘴依次喷涂薄层柔性混凝土。该材料足够柔软以实现粘结并形成连续、均匀的构件,同时又具备足够快的固化速度以支撑后续层的堆叠。打印材料基于多组分技术,将白色混凝土与稳定剂及加速剂相结合,实现快速固化。这使得能够制造具有大跨度悬挑的自由形态构件。该工艺中使用的3D混凝土丝材以25毫米宽、8毫米高的层状形式施加,形成每柱约5000米的连续打印路径。

每根柱子的横截面由三根纤维组成:外层纤维具有装饰性纹理,中层包含包裹式加强筋,内层纤维则形成用于主垂直加强筋的空心通道。通过采用机器人辅助混凝土挤出技术并省去模具的使用,混凝土仅在需要的位置精准浇筑,与传统浇筑方法相比,材料消耗量减少了40%。

自动集成加固:两台机器人协同作业

白塔是全球首座采用全承重3D打印柱体的多层建筑,其钢筋在打印过程中即被集成其中。在全新开发的3D混凝土打印技术中,两台机器人协同作业:一台机器人逐层挤出混凝土形成复杂自由形态构件,另一台机器人则在这些层间插入钢筋。打印出薄壁空心构件后,纵向钢筋被置入垂直通道,随后进行灌浆。这一机器人制造工艺使3D打印混凝土得以实现全结构承重应用——这是全球首例。

拆卸与再利用

以循环利用和资源再利用为核心理念,Tor Alva被设计为一个完全可逆的结构。这确保了该塔在穆勒恩斯(Mulegns)五年使用寿命结束后,可被拆卸、搬迁并重新组装,从而实现搬迁和再利用。每根承重柱由三个部件组成——中央柱、基座和柱头。中央柱采用3D打印技术制造,而柱头和基座则通过一种创新工艺制成,该工艺将3D打印的模板与采用新型可持续混凝土浇铸的部件相结合。相邻柱子的柱头和基座通过可拆卸的干式连接件螺栓固定在一起。

mesh.ch
3D打印过程中自动钢筋集成

计算设计

白塔的设计完全由代码生成,无需手动绘图或建模。每个细节均通过参数化脚本实现,支持轻松调整、沉浸式可视化、制造模拟以及符合机器人3D打印机的限制条件。语义数字模型可优化材料使用和结构性能,同时集成高分辨率技术细节(如电气和照明系统),以最大限度减少现场混凝土施工工作。

参数化3D打印柱体设计由三层薄壳结构组成,以提升功能性:装饰表面层、结构中间层以及钢筋口袋层。一种基于制造工艺的创新设计工作流程可自动生成这些层的高精度机器人打印路径数据。钢筋数据被整合到数字工作流程中。

大规模定制

该计算设计工作流程支持大规模定制化。同一套代码不仅用于设计塔楼各层柱子的不同整体形态,还用于为每根柱子赋予独特的算法图案。

 
托尔·阿尔瓦 / 拖车及结构系统,2024年1月