考虑自支撑临界角的<strong>3D</strong>打印混凝土球壳结构拆分方法与成形实验

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.162

工程设计学报

2025, Vol. 32

Issue (2): 151-158 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.162

机械设计理论与方法

考虑自支撑临界角的3D打印混凝土球壳结构拆分方法与成形实验

李胤贤¹(

),蒋友宝²(

),刘艳²,高鹏翔²

^1.长沙理工大学卓越工程师学院，湖南长沙 410114
^2.长沙理工大学土木与环境工程学院，湖南长沙 410114

Splitting method and forming experiment of 3D printed concrete spherical shell structure considering self-supporting critical angle

Yinxian LI¹(

),Youbao JIANG²(

),Yan LIU²,Pengxiang GAO²

^1.Elite Engineering School, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China
^2.School of Civil and Environmental Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China

全文: PDF(3689 KB) HTML

摘要：

为实现3D打印混凝土球壳结构的无支撑建造，提出了一种基于自支撑临界角的结构拆分方法。该方法将结构拆分问题转化为单目标优化问题，并根据改进遗传算法和动态优化拆分策略，寻求得到较为简便、可行的球壳结构拆分方案。基于所获得的拆分方案，可将球壳结构拆分成若干个可自支撑打印的单元，对拆分单元逐一打印后完成整体结构的拼接。对于混凝土球壳结构而言，随着材料自支撑临界角的增大，拆分单元数量增加。为降低拆分单元数量过多对球壳结构后续连接及整体性能的不利影响，混凝土材料的自支撑临界角不宜过大。现场成形实验结果表明，基于所提出的方法可实现3D打印混凝土球壳结构的有效拆分，在打印过程中能够避免结构支模工作，提高了建造效率。

关键词： 3D打印混凝土; 球壳结构; 自支撑临界角; 遗传算法; 结构拆分

Abstract:

In order to achieve the unsupported construction of 3D printed concrete spherical shell structures, a structure splitting method based on self-supporting critical angle is proposed. In this method, the structure splitting problem was converted into a single-objective optimization problem, and the relatively simple and feasible spherical shell structure splitting scheme was obtained by the improved genetic algorithm and dynamically optimized splitting strategy. The spherical shell structure could be split into multiple self-supporting printable units based on the obtained splitting scheme, and the whole structure could be assembled after the splitting units were printed one by one. For the concrete spherical shell structure, the number of splitting units increased with the increase of material self-supporting critical angle. To minimize the adverse effects of the number of splitting units on the subsequent connection and overall performance of the spherical shell structure, the self-supporting critical angle of the concrete material should be limited. The results of field forming experiments show that the proposed method can effectively split the 3D printed concrete spherical shell structure and avoid structural formwork during the printing process, thereby enhancing construction efficiency.

Key words: 3D printed concrete spherical shell structure self-supporting critical angle genetic algorithm structure splitting

收稿日期: 2024-07-29 出版日期: 2025-05-06

CLC:

TU 741

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52378126);湖南建工集团有限公司科技重点项目(JGJTK2022-13)

通讯作者: 蒋友宝 E-mail: L505175648@163.com;jiangybseu@163.com

作者简介: 李胤贤（2002—），男，硕士生，从事3D打印混凝土建造技术与无损检测技术研究，E-mail: L505175648@163.com

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李胤贤,蒋友宝,刘艳,高鹏翔. 考虑自支撑临界角的3D打印混凝土球壳结构拆分方法与成形实验[J]. 工程设计学报, 2025, 32(2): 151-158.

Yinxian LI,Youbao JIANG,Yan LIU,Pengxiang GAO. Splitting method and forming experiment of 3D printed concrete spherical shell structure considering self-supporting critical angle[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2025, 32(2): 151-158.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.162 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2025/V32/I2/151

图1 结构悬挑区域示意

图2 球壳结构拆分示意

图3 球壳结构拆分打印过程

图4 基于改进遗传算法的球壳结构拆分流程

图5 球壳结构示意图

图6 球壳结构的STL模型

图7 球壳结构横断面拆分情况

表1 不同环向拆分次数下球壳结构的拆分结果

图8 自支撑临界角为65°时球壳结构的拆分过程

分层序号	环向拆分数N/次	环向拆分角度 $θ j$ /(°)			分割点^①坐标（ $x i, ? y i$ ）/mm	分割平面倾斜角度 $α i ?$ /(°)
分层序号	环向拆分数N/次	$θ 1$	$θ 2$	$θ 3$	分割点^①坐标（ $x i, ? y i$ ）/mm	分割平面倾斜角度 $α i ?$ /(°)
1	3	60	180	300	（225，108.97）	25.84
2		60	180	300	（155，196.15）	51.68
3		60	180	300	（55，243.875）	77.29
4		60	180	300	（0，250）	90.00

表2 自支撑临界角为65°时球壳结构的拆分方案

表3 混凝土材料各组成部分的质量分数

图9 混凝土材料自支撑临界角测定原理

图10 混凝土材料自支撑临界角测定现场

图11 打印过程中的各混凝土分块

图12 K1部分的各混凝土分块

图13 拼接后的K1部分结构

图14 球壳结构及其直径

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