3D打印或掀建筑產(chǎn)業(yè)大革命

發(fā)布日期：2017-02-03來源：中國建設(shè)報(bào)編輯：伏牛山

[摘要]

3D打印示意圖

不需要使用模具，采用水泥、砂石為原料，按照設(shè)計(jì)圖用3D打印機(jī)噴出高性能混凝土，逐層打印出墻壁、隔間、裝飾等構(gòu)件，再用機(jī)械手臂完成整棟房屋的基本構(gòu)架。這就是建筑3D打印技術(shù)。

近日，中國建筑工程總公司所屬中建技術(shù)中心環(huán)境與材料工程研究所一項(xiàng)科技成果“建筑3D打印材料及應(yīng)用技術(shù)”通過鑒定，總體達(dá)到國際先進(jìn)水平。該成果實(shí)現(xiàn)了建筑構(gòu)件和實(shí)體房屋的3D打印，效果良好，對(duì)3D打印技術(shù)的應(yīng)用起到了積極的推進(jìn)作用。

優(yōu)勢(shì)：速度快、不使用模板且綠色環(huán)保

建筑3D打印技術(shù)是將3D打印與建筑施工有機(jī)結(jié)合起來的一種新型建筑技術(shù)，其原理是將需要打印的建筑構(gòu)件利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模型分割，將三維的圖形信息轉(zhuǎn)化為打印路徑，將混凝土或砂漿拌合物通過輸送系統(tǒng)泵送至打印頭，通過建筑3D打印機(jī)依照軟件預(yù)先處理好的路徑，使打印材料逐層疊加，最終制備得到建筑構(gòu)件。建筑3D打印技術(shù)已經(jīng)成為一種工業(yè)化發(fā)展的趨勢(shì)。目前，基于計(jì)算機(jī)控制的快速成型技術(shù)日臻成熟，3D打印建筑也在全世界不同的國家和地區(qū)開始出現(xiàn)并得到關(guān)注。

中建技術(shù)中心環(huán)境與材料工程研究所副所長張濤告訴記者：“與傳統(tǒng)建造相比，建筑3D打印技術(shù)不僅速度快，而且不需要使用模板，可以大幅節(jié)約成本，并且具有低碳、綠色、環(huán)保的特點(diǎn)。建筑3D打印技術(shù)的發(fā)展，必將成為傳統(tǒng)建造技術(shù)的一個(gè)有力補(bǔ)充。”

建筑3D打印的研究和應(yīng)用剛起步。近幾年已有一些嘗試研究和探索：美國明尼蘇達(dá)州一個(gè)3D打印團(tuán)隊(duì)用單打印頭機(jī)器打印完成了占地3米×5米“中世紀(jì)城堡”，是目前建筑3D打印技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)比較經(jīng)典的案例。該項(xiàng)目采用非整體現(xiàn)場(chǎng)打印，部分構(gòu)件打印完成后再現(xiàn)場(chǎng)吊裝。外觀打印痕跡均勻清晰，“城堡”的墻體厚30厘米。菲律賓利用這一技術(shù)打印出有兩間臥室、一間客廳和一個(gè)帶按摩浴缸的房間，用時(shí)100小時(shí)，建筑占地面積10.5×12.5米。

縱觀現(xiàn)有的國內(nèi)外建筑3D打印技術(shù)的應(yīng)用，普遍存在技術(shù)還不夠完善、材料存在缺陷、3D打印的速度較慢等問題。張濤告訴記者：“目前，建筑3D打印技術(shù)主要處于研發(fā)和技術(shù)改進(jìn)階段，現(xiàn)在已經(jīng)能夠打印一些建筑構(gòu)件以及一些結(jié)構(gòu)、形狀不太復(fù)雜的小型建筑。而在實(shí)際工程施工階段，建筑3D打印技術(shù)還處在不斷的探究和摸索階段。”

研發(fā)：新材料、新設(shè)備為3D打印提供支撐

機(jī)械和技術(shù)發(fā)展促進(jìn)了新思維的產(chǎn)生，將實(shí)際和創(chuàng)新連接在了一起，更好地深入建設(shè)領(lǐng)域。建筑3D打印技術(shù)最重要的技術(shù)之一是材料技術(shù)。隨著工業(yè)精密機(jī)床技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越需要材料技術(shù)來滿足建筑3D打印的需要。張濤告訴記者：“建筑3D打印材料是在傳統(tǒng)建筑原材料基礎(chǔ)上對(duì)混凝土材料的改進(jìn)與升華，因此它的性能首先要滿足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中建筑物對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐久性能的要求。另外，從經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性方面來說，還應(yīng)該滿足原材料就地取材、成本低、綠色環(huán)保等要求。”

建筑3D打印技術(shù)的一個(gè)特點(diǎn)是沒有模板，因此打印材料的可堆積性和下層材料對(duì)逐漸增加的上層材料的承載力非常重要。建筑3D打印技術(shù)對(duì)材料的性能要求主要有凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度、工作時(shí)流動(dòng)性等。張濤說：“具體來講，一是凝結(jié)時(shí)間要能夠根據(jù)3D打印施工的不同要求靈活控制。二是具有一定的流動(dòng)性，打印頭擠出后能夠堆積成型并具有一定的承載力，能夠承受自重以及打印過程中的動(dòng)荷載。三是具有良好的層間黏結(jié)力，成型結(jié)構(gòu)的不同方向受力性能差異較小。四是具有較高的早期強(qiáng)度，保證連續(xù)3D打印過程中對(duì)建筑結(jié)構(gòu)整體具有足夠的承載力。”

普通硅酸鹽水泥在目前工程中應(yīng)用廣泛，具有成本低、生產(chǎn)廠家分布廣、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是制備建筑3D打印材料的有利選擇，但因?yàn)槠渌俣嚷⒛Y(jié)時(shí)間較長、早期強(qiáng)度低的特點(diǎn)，制約了其作為建筑3D打印材料的應(yīng)用。環(huán)境與材料工程研究所對(duì)此進(jìn)行了研究，采用不同的技術(shù)對(duì)比，多次試驗(yàn)，研制出的建筑3D打印用水泥基材料，具有良好的觸變性、凝結(jié)時(shí)間可控、黏結(jié)性好，可連續(xù)打印。此外，該成果還利用冶金渣等工業(yè)固體廢物，開發(fā)了性能優(yōu)良的地質(zhì)聚合物基干粉砂漿3D打印材料，具有成本低、綠色環(huán)保等特點(diǎn)。

3D打印機(jī)是實(shí)現(xiàn)最終成品的關(guān)鍵。建筑3D打印裝置和控制系統(tǒng)的技術(shù)特征是要自主設(shè)計(jì)適用于建筑材料的打印架、配套泵送裝置、擠出裝置、控制系統(tǒng)以及相應(yīng)的打印工藝。目前，國內(nèi)外建筑3D打印的重點(diǎn)放在打印機(jī)的結(jié)構(gòu)上，出現(xiàn)了如行吊式、龍門式、布料機(jī)式的建筑3D打印機(jī)形式，但對(duì)適用于建筑3D打印材料的泵送系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等打印配套工藝研究不多。而常規(guī)的混凝土泵送系統(tǒng)和雕刻機(jī)形式的控制系統(tǒng)又無法滿足實(shí)際打印要求。為此，環(huán)境與材料工程研究所開發(fā)了適用的打印機(jī)控制系統(tǒng)，具有讀取和繪畫路徑、打印速度可調(diào)，供料速度與打印行走速度匹配等功能，還可以滿足異形建筑構(gòu)件打印。

未來：挑戰(zhàn)和機(jī)遇并存

無論是通過改進(jìn)3D打印的建筑材料，還是優(yōu)化3D打印建筑物的設(shè)計(jì)，最終目的都是為了通過3D打印技術(shù)建造出節(jié)省材料、造型豐富而獨(dú)特并且堅(jiān)固耐用、讓人們可以安心居住和使用的建筑物。3D打印在建筑行業(yè)還處在探索階段。可以預(yù)見，要實(shí)現(xiàn)技術(shù)的普及還有不少的困難要克服。2016年8月，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部下發(fā)的《2016年~2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》提出：積極開展建筑業(yè)3D打印設(shè)備及材料的研究。結(jié)合BIM技術(shù)應(yīng)用，探索3D打印技術(shù)運(yùn)用于建筑部品、構(gòu)件生產(chǎn)，開展示范應(yīng)用。

建筑3D打印技術(shù)在未來的發(fā)展存在諸多機(jī)遇和挑戰(zhàn)。張濤認(rèn)為，要加快建筑3D打印技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定的推行工作，為建筑3D打印技術(shù)提供一個(gè)可持續(xù)的發(fā)展空間。

實(shí)現(xiàn)建筑3D打印機(jī)多功能化。通過不斷的研發(fā)創(chuàng)新，使建筑3D打印機(jī)具有更多功能，如模塊化、可爬升，開發(fā)出更實(shí)用的建筑3D打印軟件系統(tǒng)。完善建筑3D打印材料體系研究。通過開發(fā)成本較低、性能可靠的材料，使其性能更符合3D打印的工藝要求，打印具有特殊性能的建筑物。同時(shí)，還要推進(jìn)建筑3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)建造技術(shù)的兼容和互補(bǔ)。建筑3D打印技術(shù)不是萬能的，通過不斷創(chuàng)新和完善使其與傳統(tǒng)的建造技術(shù)完美融合、互為補(bǔ)充是建筑3D打印技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。
                             

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