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世界首例原位3D打印双层示范建筑亮相

 

近日,一栋7.2米高的双层办公楼在中建二局广东建设基地拔地而起,这栋并不高的建筑物却吸引了业界的惊叹的目光。原来,这座建筑物的主体结构是现场“打印”出来的,中建机械制造的建筑3D打印机就是它的“建造者”。

这座被“打印”出来的办公楼是“世界首例原位3D打印双层示范建筑”,这标志着原位3D打印技术在建筑领域取得突破性进展。

3D打印让房子被“打印”出来

“3D打印建筑的基本原理与一般打印机一样,要有打印机体、喷头、油墨、纸张。”中国建筑技术中心材料工程研究所所长助理霍亮介绍说。如果把建筑四周搭建的金属框架视作打印机的机体,那么喷吐混凝土的打印头就相当于一般打印机的喷头,但它喷出的“油墨”却不是一般的混凝土,而是需要特别配制的。

有了打印机、打印头和打印材料,“纸张”当然也是必不可少的。“在施工前,我们在地下预埋了钢筋笼,这就相当于‘打印纸’。”中建二局广东建设基地有限公司科技部副经理黄云说,“在打印过程中,随着墙体的不断长高,还得按照图纸去加装钢筋。”

3D打印技术主要用在房屋建造过程中的主体施工阶段,传统工艺在主体施工中涉及到模板、钢筋和混凝土三个方面。3D打印技术的所有工艺也是围绕着这三个内容进行的,目前3D打印还无法打印钢筋,钢筋布置还需要依靠人工。但混凝土浇筑所需要的模板,在3D打印建筑的施工现场却没有,因为3D打印头里喷出的混凝土可不一般。

3D打印建筑喷吐混凝土和传统施工浇筑混凝土一样,要一次完成,不能间断。打印头通过一圈一圈连续喷吐宽5厘米、厚2.5厘米的打印材料,经过层层堆积建造墙面。如果下层混凝土砂浆凝结慢,没有形成足够的硬度,就无法支撑上层材料的重量,导致墙面变形甚至垮塌;如果凝结太快,又会出现和上层材料的黏合问题。“我们通过反复试验,在一般的混凝土砂浆中添加了外加剂,通过调节材料粘稠度和凝结时间,终于开发出了3D打印所需要的混凝土,而且它的强度能达到C40-C60,完全满足建筑强度的要求。”霍亮说。

原位3D打印奠定建筑推广基础

从传统工艺特点来说,对曲面造型设计的建筑来说,不论是现场浇注成型,还是工厂预制构件,模具工程及其成本高且不宜实现。“建筑3D打印技术是基于计算机智能控制实现建筑构件及建筑免模板的施工工艺,在曲面建筑和穹顶式建筑建造上具有明显优势,同时为设计师自由创作提供了可能。”中国建筑技术中心材料所所长张涛说。3D打印技术无疑将推动制造业的数字化发展,在3D打印的世界里,建筑师、工程师和建筑工人将借助科技之力,将建筑与3D打印结合,完成对现有建筑技术的再造。

3D打印建筑还可大大节省建筑用料,降低施工成本。建筑3D打印可以充分利用打印智能控制,使建筑一次成型,节约材料60%,同时可减少建造过程中的工艺损耗和能源消耗。“我们这个项目建筑面积约230平方米,分为上下两层,打印部分为墙体和构造柱,主体打印部分仅需3天。”霍亮说,“由于3D技术打印房屋全部使用机械自动化操作,以往要十二三名工人操作的项目少一半人完全没问题”。

这栋位于工厂的钢材锻造车间旁双层小楼,是“世界首例原位3D打印双层示范建筑”,建成后将用于办公和展示。它所采用的原位3D打印建造技术较过去的3D打印技术有三方面突破:一是原位打印,即现场直接将主体打印成型,无需二次拼装;二是采用轮廓工艺,即打印出的墙体是为中空的,方便添加保暖填充物;三是首次将这项技术运用到双层建筑上,结构难度更大。虽然目前3D打印技术没有真正批量应用在建筑工程中,但原位3D打印技术的成功应用,无疑对3D打印技术在建筑领域的推广奠定了基础。它与现有施工技术是互补的、相互依靠的关系,研发及应用这一技术不是要替代现有施工技术,而是将其作为对现有施工技术的一个强有力补充。

中国3D打印建筑水平与世界同步

这栋“世界首例原位3D打印双层示范建筑”,是由中建股份技术中心和中建二局华南公司联合立项课题《建筑 3D打印技术研究与应用示范》的展示工程。课题成立之初,建筑3D打印的研究刚刚起步,从材料到建筑3D打印的设备研发及可借鉴资料都很少,并且建筑3D打印技术属于多专业,跨领域的综合技术,专业范围涵盖了材料、机械、自动化、微机控制等,需要研发人员具有多专业、跨学科的知识背景。

经过3年的技术攻关已经完成了多种3D打印材料体系、架体结构、输料系统、控制软件的开发工作,实现了从无到有,从小到大的突破,获得建筑3D打印材料、设备类专利13项,软件著作权4项,专业著作1部,外观专利1项。霍亮说:“目前,国内外建筑3D打印技术同步发展,中国建筑行业在某些应用方面甚至已经超越国外同行。”

中国建筑在国家政策引领下,攻坚克难,深入探索建筑3D打印技术,引领国内的学术领域的研究。中国建筑技术中心主编的《混凝土3D打印技术规程》已经起草完毕,目前处于征求意见阶段;技术中心关于3D打印的相关研究成果先后在第27届澳大利亚混凝土会议和第69次RILEM技术交流会议上进行技术交流,在美国第31届固废技术与管理国际会议和第15届水泥化学国际会议上进行了主题报告,受到了国外专家的关注和高度好评。

 

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