3D打印(3DP)是20世纪90年代新兴的一种快速成型技术^[1]。3D打印与普通打印工作原理基本相同，不同的是采用金属、塑料等可粘合材料作为“打印材料”。该技术以数字模型文件为基础，打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状材料将截面逐层打印出来构造实体，打印的截面尺寸可实现微米级精度。该技术的特点在于短时间内可精确打印任何形状的物品，因此，3D打印技术在构造物体的三维几何形状方面优势显著，目前已成功应用于工业设计、建筑结构、医学等领域^[2]。

3D打印在土木工程中已有探索性的应用，具备较好的应用前景，但在教学中鲜有涉及。第九届全国大学生结构建模大赛中首次引入了3D打印装配模型的制作，具有较大的难度和趣味性^[3-4]。赛题要求制作一段盘山公路的两段曲直桥梁，涉及3D打印装配式结构，具有鲜明的高科技特征和绿色环保理念。文章以湖南科技大学参赛作品为例，从3D打印节点设计、优化和安装等角度，详细阐述了3D打印节点在结构建模中的应用。大赛对在土木工程专业普及3D打印技术等科技前沿知识具有较好的引领和促进作用。

第九届全国大学生结构建模竞赛题目为山地桥梁结构设计及手工与3D打印装配模型制作^[4]。要求制作一段盘山公路的A、B两段桥梁。模型由作为底座的承台板、给定的山体和制作的桥梁三部分组成。山体包括虎口、隧洞和棱台，由螺钉固定在承台板上。A桥段要求所有构件及节点均采用给定的竹材与502胶水手工制作完成。B桥段要求结构的杆件采用竹材和502胶水手工制作，节点及连接部件采用给定的ABS塑料3D打印而成，最终B桥段结构由杆件、节点及连接部件装配而成，装配过程不允许使用502胶水。模型进行两次动加载实验，具体的赛题细则详见大赛文件^[4]。模型三维示意图如图 1(a)所示，参赛模型如图 1(b)所示。

图 1(Figure 1)

图 1 模型三维示意图及参赛模型

对拱结构、梁格体系、斜拉体系、桁架结构、悬索体系、多跨梁等多种方案进行了比选^[5]，最终选择了结构性能稳定的多跨梁体系。经多次制作和优化，A桥段最终采用交错墩多跨梁，模型实物如图 2a所示，B桥段最终采用索-梁组合结构，模型实物如图 2b所示。

图 2(Figure 2)

图 2 A、B桥段实物图

A桥段直桥部分为单跨越主河道。弯桥段外侧弧长大，采用交错墩结构，6跨布置，而内侧5跨布置。这样布置主梁线形平顺，受力合理，方便行车。B桥段采用索-梁组合体系。主桥墩设置斜向边缆，既作为主桥的重要受力结构，又同时保障结构的纵向稳定。主跨的柔性桥面梁兼有梁与索的特点，位移小时梁特征明显，位移大时则表现出明显的索-梁组合特点。

B桥段采用3D节点装配，对于3D节点的要求极高。ABS 3D打印材料虽具有抗冲击性、耐热性、易加工、尺寸稳定、表面光泽性好等优点，但其密度大于竹材，打印速度较慢。兼顾重量和打印效率，节点不宜过多。如能实现节点共用，则最好合并节点。该材料脆性明显，容易脆裂。为了防止节点开裂，各节点应保证一定的厚度，同时在编制STL文件时，特别注意打印分层问题和3D喷头打印方向。此外，为控制节点重量，在侧壁可合理设置孔洞。构件设计的组装连接方式主要有“卡”“插”“楔”“套”4种，在部分需要固定的桥墩预留钉孔，采用螺钉锚固。经多次优化，B桥段共设计44个3D节点，其中柱脚节点10个，桥墩横向联系节点18个，墩梁连接3D节点10个，主梁横向联系节点6个。

墩梁节点设计。小车在B桥段沿下坡方向行驶，墩梁节点需要将移动荷载重量及其产生的荷载效应传至桥墩。主要的荷载效应为竖向荷载和小车下坡时的摩擦反力，以及小车越过B桥段障碍物时产生的动荷载效应，因此，节点设计时，主梁楔在节点的卡槽中，墩插入节点的方形预留孔中，从而实现了节点的承上启下。为保证结构在纵桥向的稳定性，在主跨桥墩上设计了拉索。此时拉索节点和墩梁节点合并，拉索一头卡在墩梁节点上，另一端卡在柱脚节点上。

柱脚节点设计。柱脚节点参考钢结构柱脚设计。柱脚节点如同“靴子”紧套在桥墩上，底面尽量开展，增大接触面积。部分柱脚节点需要锚固于承台板上，应预留钉孔。同时因该处受力复杂，应增大截面厚度。部分柱脚节点直接置于承台板上，设计得较为轻巧。部分柱脚设置有横向联系，或者设有主跨主墩拉索的锚固点，同一个柱脚节点功能尽量合并，以减轻节点自重。

横向联系节点。由于B桥主跨较大，为增强结构稳定性，需在主跨设置横向联系。主跨的横向联系采用“卡”式连接，节点同时卡在主梁和横向联系上，实现横向联系的“附着”。高墩亦需设置横向联系，以提高受压墩柱的稳定性。该节点则“套”在墩柱上，同时横向交叉联系卡在节点上，亦实现横向联系的“附着”。

部分节点设计图以及实物图分别如图 3和图 4所示。

图 3(Figure 3)

图 3 部分节点设计图

图 4(Figure 4)

图 4 3D节点实物图

图 3中，(a)为主跨墩梁节点(与拉索节点共用)；(b)为副跨墩梁节点(不带拉索节点)；(c)为柱脚节点(与拉索节点共用)；(d)为柱脚横向联系节点(带钉孔)；(e)为柱间横向联系节点；(f)为主梁横向联系节点。

经过多次加载试验和优化，B桥重量控制在100 g左右且能稳定承受多次反复加载。整个模型重量可控制在200 g左右。B桥段3D节点打印及其组装如图 5所示。需要强调的是，3D打印为分层打印且具有方向性，层与层之间粘结力较小，容易沿分层方向撕裂，所以即使同样的节点在打印时要注意分析受力，合理选择打印方向。此外，3D节点打印时间长，且一般需要带支撑打印，拆卸支撑时应注意操作，否则容易破坏节点。

图 5(Figure 5)

图 5 B桥段模型制作

在最终的比赛中，3D打印节点工作稳定，无开裂、松动、滑脱等现象，实现了预期功能。团队代表学校首次参加比赛，设计的结构模型取得了国家二等奖的优异成绩。

第九届全国大学生结构建模大赛中首次引入3D打印技术，用于装配式模型制作，有利于在土木工程专业本科生中普及科技前沿知识。以湖南科技大学参赛作品为例，从3D打印节点的设计、优化、安装等角度，阐述了3D打印在大学生结构建模中的应用。兼顾重量和打印效率，3D节点不宜过多，设计时应功能统筹，并在侧壁设置孔洞减重。为防止节点脆裂，应保证节点厚度，同时注意合理设计分层和打印方向。构件通过3D节点采用“卡”“插”“楔”“套”4种方式进行组装，效果良好。3D打印技术可进一步应用于土木工程空间模型快速成型等方面。