空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如網(wǎng)格，是一種高效的承重結(jié)構(gòu)，易于幾何適應(yīng)，非常適合無(wú)柱、長(zhǎng)跨度結(jié)構(gòu)，如機(jī)庫(kù)和航站樓，以及創(chuàng)建自由形式的幾何結(jié)構(gòu)。由于這些結(jié)構(gòu)必須同時(shí)承受壓縮力和拉伸力，因此它們通常由鋁和鋼等各向同性材料構(gòu)成。鋼筋混凝土也是另一種選擇，但卻受到高成本和混凝土本身結(jié)構(gòu)笨重外觀的限制。

      布倫瑞克工業(yè)大學(xué)的研究人員諾曼·哈克、亨德里克·林德曼和哈拉德·克洛夫發(fā)表了一篇題為《噴射混凝土3D打印的自適應(yīng)模塊化空間結(jié)構(gòu)》的論文，講述了他們開發(fā)一個(gè)“模塊化、數(shù)字化建筑系統(tǒng)”，該系統(tǒng)用于用鋼筋混凝土制造輕質(zhì)空間結(jié)構(gòu)。

      摘要寫道：“在設(shè)計(jì)和制造方面，提出了一個(gè)數(shù)字化的工作流程，其中包括將自由幾何體合理化為完全由平面組件組成的自適應(yīng)空間模塊。為了快速和精確的制造，這些組件使用一種稱為“噴射混凝土3D打印”的新型3D混凝土打印技術(shù)進(jìn)行3D打印。正在進(jìn)行的研究是由一個(gè)示范性空間模塊的初始真實(shí)比例原型來(lái)證明的。”

      其目標(biāo)是利用鋼筋混凝土創(chuàng)建一個(gè)“適應(yīng)模塊化空間結(jié)構(gòu)的一體化數(shù)字施工系統(tǒng)”，考慮施工現(xiàn)場(chǎng)物流、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)方面、制造限制、材料特性和結(jié)構(gòu)性能。

      “鑒于此，本文描述了一個(gè)數(shù)字施工系統(tǒng)和一個(gè)數(shù)字工作流程，該系統(tǒng)首先將自由形式的幾何圖形合理化為平面面板，然后發(fā)展為空間模塊，最后可以使用3D打印技術(shù)快速制造，而不造成建筑浪費(fèi)，”研究人員解釋說(shuō)。

      其他幾個(gè)研究小組研究了使用鋼筋混凝土創(chuàng)建幾何復(fù)雜和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，包括：

      *Hedracrete展館，它研究了基于三維靜態(tài)圖形開發(fā)的空間復(fù)雜多面體結(jié)構(gòu)。

      *Opticut項(xiàng)目，探討了如何利用機(jī)器人磨料線切割有效地進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)。

      *Xtree使用四段3D打印混凝土制作桁架式柱的模板和臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)。

當(dāng)代鋼筋混凝土空間結(jié)構(gòu)實(shí)例：（a）、hedacrete；（b）opticut；（c）普羅旺斯艾克斯的xtree柱。

      圖布倫瑞克團(tuán)隊(duì)引用了另一個(gè)項(xiàng)目——Pier Luigi Nervi，他為意大利空軍開發(fā)了飛機(jī)懸掛器，該懸掛器基于預(yù)制空間桁架梁的網(wǎng)殼系統(tǒng)。他創(chuàng)造了一個(gè)平面預(yù)制混凝土桁架系統(tǒng)，組裝后形成了一個(gè)菱形拱頂結(jié)構(gòu)。然后，通過(guò)向縫隙中澆注混凝土，將桁架整體連接起來(lái)。

      這種方法節(jié)省了時(shí)間、材料和降低了重量，啟發(fā)了研究人員努力創(chuàng)造出一個(gè)具有相同組成部分的空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

1939年，奧維耶托Luigi Nervi碼頭預(yù)制空軍機(jī)庫(kù)：（a）鋪板前的網(wǎng)殼內(nèi)部視圖；（b）裝配期間預(yù)制桁架梁；（c）澆筑前接縫的細(xì)節(jié)。

      他們的構(gòu)建系統(tǒng)概念是基于一個(gè)數(shù)字化的工作流程，該工作流程首先將自由形式的幾何圖形合理化為平面組件的空間模塊。接下來(lái)，這些模塊以數(shù)字方式展開，以生成制造路徑，然后將組件3D打印為平面元素。

模塊生成：（a）初始曲面細(xì)分為雙曲面四邊形，顏色表示雙曲率；（b）平面化四邊形網(wǎng)格，帶雙曲面，提供結(jié)構(gòu)深度；（c）平面化四邊形網(wǎng)格，帶平面空間結(jié)構(gòu)，單列Ur表示平面度。

      由于結(jié)構(gòu)中的所有元素都必須是平面的，因此工作流需要將“給定的自由曲面”有理化為四邊形平面組件的空間模塊。最后，將平面四邊形轉(zhuǎn)化為空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，使其適應(yīng)特定的加載條件。然后，將坐標(biāo)和刀具速度轉(zhuǎn)換成G代碼，并與西門子公司一起使用。

      機(jī)器人的設(shè)置是在大學(xué)的數(shù)字建筑制造實(shí)驗(yàn)室完成的：一個(gè)機(jī)器人制造設(shè)施，使用加法和減法制造方法來(lái)生產(chǎn)大規(guī)模的結(jié)構(gòu)。在開始混凝土攪拌之前，團(tuán)隊(duì)在工作區(qū)安裝了一個(gè)平面木底板，然后上傳每個(gè)模塊組件的制造數(shù)據(jù)。

最終幾何結(jié)構(gòu)：（a）平面結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)調(diào)整結(jié)構(gòu)，較厚的部分用橙色標(biāo)記，較細(xì)的部分用藍(lán)色標(biāo)記；（b）結(jié)構(gòu)俯視圖和數(shù)字展開模塊。

      研究人員使用了他們的新型噴射混凝土3D打印技術(shù)，不僅擠壓材料，而且在壓力下對(duì)其進(jìn)行噴射，以構(gòu)建3D結(jié)構(gòu)。這種方法提供了優(yōu)異的層粘合性，可以整合增強(qiáng)材料，并提供對(duì)垂直表面和懸垂的噴涂的潛力。

      模塊的三個(gè)組件中的每一個(gè)都是單獨(dú)3D打印的。打印前兩層后，將8 x 100 cm碳纖維增強(qiáng)網(wǎng)條放在頂部，最后一層打印并噴涂以嵌入。

制作：（a）噴涂構(gòu)件；（b）在混凝土綠色狀態(tài)下切割邊緣；（c）打磨斜接表面邊緣

      經(jīng)過(guò)綠色后處理和兩天的固化后，從底板上分離出60kg的平面元件。最后的2.2 x 1.5 x 1 m原型，在25分鐘內(nèi)打印，12分鐘的噴涂和8分鐘的后處理，是在5分鐘內(nèi)組裝的更大結(jié)構(gòu)的一部分。

      “噴灑可獲得良好的壓實(shí)效果，速度快，并提供一致的高度控制。然而，噴霧過(guò)程的開始和停止程序尚未得到精確控制，需要延長(zhǎng)輪廓的開始和結(jié)束點(diǎn)，”研究人員寫道。“在鋼筋方面，很明顯，使用預(yù)切割碳纖維墊條是減少構(gòu)件結(jié)構(gòu)厚度的有效措施。但是，證明手動(dòng)放置不夠精確，導(dǎo)致后處理過(guò)程中切割邊緣時(shí)發(fā)生碰撞沖突。由于部件重量較輕，僅需三人即可組裝。由于第一個(gè)原型中沒有集成任何連接機(jī)制，因此使用捆扎帶連接部件。”

組裝一個(gè)模塊：（a）三人組裝；（b）組裝元件；（c）用起重機(jī)定位

      研究人員在進(jìn)行多次研究后得出了結(jié)論，例如進(jìn)一步開發(fā)計(jì)算流程和模塊制造。下一階段將是“實(shí)現(xiàn)由多個(gè)模塊構(gòu)成的更大空間結(jié)構(gòu)”，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)試。