麻省理工学院的研究人员使用一种计算框架，将打印机的物理限制直接纳入设计过程，对一座 2.3 米长的混凝土桥进行了 3D 打印和负载测试。结果令人惊讶：决定结构效率的不是混凝土的强度，而是当今的打印硬件。
麻省理工学院土木与环境工程系的团队开发了一套框架，旨在填补该领域一个长期存在的空白。工程师们通常使用拓扑优化来寻找强度最高、材料用量最少的结构，但这些数学上的理想设计并未考虑大型混凝土打印机的实际操作——例如其粗大的喷嘴、有限的转弯半径以及必须以连续运动的方式进行打印的要求。新方法将这三个限制条件直接纳入数学计算，只需在笔记本电脑上大约两分钟即可生成完全可打印的设计。在打印当天，当团队需要略微缩小桥梁尺寸时，他们重新运行了优化程序，并在五到十分钟后获得了更新后的设计。
麻省理工学院土木与环境工程系博士后 Hajin Kim-Tackowiak（左）和研究生 Zane Schemmer 与他们设计并进行荷载测试的 3D 打印混凝土桥合影。（图片由研究人员提供。）
这座桥本身使用现成的砂浆打印而成，耗时约30分钟。测试期间，这座重约900磅的桥梁顶部承载了超过2000磅的混凝土块，且未发生明显的弯曲，与团队的模拟结果高度吻合。但测试也暴露出设计上的过度设计。“从零到20万磅，你的设计完全受制于‘我能不能建造它’的限制。而超过20万磅之后，你才能开始考虑物理问题，”论文共同第一作者、麻省理工学院土木与环境工程系博士后Hajin Kim-Tackowiak说道。
该框架采用混合整数优化算法，这种数学方法长期以来被认为计算成本过高而难以实际应用。“回顾五年前、十年前，我们使用的求解器，甚至三年前的求解器，都无法解决这些问题，”共同第一作者、土木与环境工程系博士生赞恩·舍默 (Zane Schemmer) 说。由于该方法寻找的是全局最优解而非仅仅是一个不错的解，研究人员还可以精确量化每个硬件约束所造成的材料成本。其中，影响最大的因素是焊缝宽度。这座桥梁使用了 4 厘米宽的焊缝；据资深作者、土木工程系吉尔伯特·W·温斯洛 (1937) 职业发展教授约瑟芬·卡斯滕森 (Josephine Carstensen) 介绍，如果使用能够铺设 1 厘米宽焊缝的机器，材料用量最多可以减少 76%。“我原以为连续路径才是问题所在，影响最大的因素，”卡斯滕森说，“但事实并非如此。真正的问题在于焊缝宽度。”
这座桥完全采用混凝土的抗压结构建造，混凝土的抗压强度极高。每个构件都承受的是压力而非拉力。测试结果令人震惊地揭示了这一设计原则：桥梁结构能够承受超过2000磅的重量而纹丝不动，但当一名工人将桥角抬起几英寸以便清扫桥下时，桥梁却立即断裂。“从某种意义上说，它是最优的，但肯定不是在所有方面都是最优的，”金-塔科维亚克说道。
团队的下一步研究方向是钢筋混凝土。“我们知道纯混凝土结构未必是最佳方案，所以我们正在将其应用到更符合当今实际情况的钢筋混凝土结构中，”Kim-Tackowiak说道。不过她也补充说，如何将钢筋送入打印混凝土结构“本身就是一个挑战”。这项研究由美国国家科学基金会资助，并得到了麻省理工学院先进生产技术中心的支持。合作者包括麻省理工学院建筑技术建筑专业的博士生Pittipat Wongsittikan和2018届工程硕士、2025届博士Jackson Jewett。
来源：news.mit.edu
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