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树状柱结构与3D打印技术的融合发展

更新时间: 2025-01-03 15:58:11  查看次数: 45    
树是自然界常见的植物,它有着合理的传力路径和优美的外形,引起了建筑设计师的注意。在上个世纪60年代,德国建筑师奥托(F.Otto)就仿照树的外形创造出树状柱结构。他用圆钢管模仿树枝外形,经过多级分叉,形成了很大的支撑空间。传统柱型结构相比,树状结构有不少优点。它美观、承载力高、受力合理、支撑覆盖范围广,而且外形光滑连贯,过渡自然。正因为这些优点,树状结构在工程实践中得到了广泛应用。
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国外有很多树状柱结构的代表建筑,像里斯本东方车站、斯图加特航站楼。斯图加特航站楼是奥托亲自设计建造的,它候机楼的顶面是个倾斜的平板,下部由三级分叉支撑,形成了很大的底部空间。虽然大厅支撑众多、横向分枝交错,但整个建筑有一种生态力学的美感。在国内,树状柱结构这几年也开始兴起。很多新建的航站楼和高铁站都采用树状柱结构,比如深圳音乐厅、上海浦东机场T2航站楼。深圳音乐厅的“黄金树”结构很有名,是由日本建筑大师矶崎新主持设计的。他从仿生学角度赋予建筑树的外形,多根杆件以不同角度汇交在一点,虽然杆件很多,但美感十足,达到了建筑艺术效果,让建筑和结构很好地融合在一起,成为整个音乐厅的亮点。在树状柱结构中,建筑庞大的上部结构靠节点支撑在地面上,这跟树的形态很像。节点非常重要,如果节点强度不够,就会危及整个建筑结构的安全。有些节点处杆件相贯较多,用传统的相贯节点焊接起来很不方便,而且残余应力大,甚至都没法形成需要的形状。铸钢节点是整体铸造成形的,不仅美观流畅,能实现各种复杂的建筑造型,还能把节点与构件的焊接部位移到节点区外,减少残余应力。所以铸钢节点在工程实践中越来越受欢迎。近十年来,铸钢节点的合理性和适用性得到了普遍认可,近50%的国家和地区重点大型空间钢结构建筑在关键节点部位都采用了铸钢节点。
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近年来,树状柱结构在国内的应用越来越多,对铸钢分叉节点的需求也越来越大。但目前对铸钢分叉节点的研究进展缓慢,特别是在制造工艺方面,多年没有明显的进步。老式的传统铸造工艺已经延续了几十年,导致铸钢节点精度低、制造工期长、成本高、节能和环保效益差,已经很难满足工程实践的生产需求,成了当前生产实践中急需解决的瓶颈问题。所以发展一种新式的先进制造技术刻不容缓。3D打印技术作为战略性新兴产业,具有数字化、网络化、个性化、定制化的特点,正在改变传统的减法制造方式。国外很多发达国家在上个世纪九十年代就开始研究3D打印技术,目前它在航空航天和生物医学等领域发展迅速,在建筑领域也受到广泛关注。