3D打印設(shè)備正在打印墻面

裝配式混凝土3D打印趙州橋今年10月在河北工業(yè)大學(xué)落成。

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中建二局廣東建設(shè)基地3D原位打印二層示范建筑施工現(xiàn)場

3D打印墻體特寫

(本版其他圖片由中建二局華南公司提供)

蓋房子能像打印機(jī)打印東西一樣?如果不是親眼所見，恐怕很難相信，眼前正在建設(shè)中的小樓，一樓墻面全部是由懸掛在空中的噴頭“打印”出來的。日前，記者走進(jìn)中建二局廣東建設(shè)基地，探訪世界首個(gè)3D原位打印二層示范建筑。記者看到，小樓四周搭建著高大的金屬框架，懸掛在上面的打印頭可以在XYZ軸三個(gè)方向上自由移動(dòng)，通過噴吐混凝土材料“蓋房”。

“打印機(jī)、噴頭、油墨、紙張”一樣不少，打印一層樓不到30個(gè)小時(shí)

“3D打印建筑的基本原理與一般打印機(jī)一樣，要有打印機(jī)體、噴頭、油墨、紙張。”中國建筑技術(shù)中心材料工程研究所所長助理霍亮介紹說。如果把建筑四周搭建的金屬框架視作打印機(jī)的機(jī)體，那么噴吐混凝土的打印頭就相當(dāng)于一般打印機(jī)的噴頭，只不過它噴出的既不是油墨也不是一般的混凝土，而是為打印施工特別配制的打印材料。“就像炒菜會(huì)放鹽和醬油一樣，為了適應(yīng)3D打印的特點(diǎn)，我們在建筑材料上做了一些調(diào)整。”霍亮說。

眾所周知，傳統(tǒng)的建筑施工中，混凝土砂漿的材料特性決定了其澆筑不能間斷，要一次完成。3D打印建筑也同樣不能間斷，打印頭通過一圈一圈連續(xù)噴吐寬5厘米、厚2.5厘米的打印材料，經(jīng)過層層堆積建造墻面。但是問題來了，如果下層混凝土凝結(jié)慢，沒有形成足夠的強(qiáng)度，就無法支撐上層材料的重量，導(dǎo)致墻面變形甚至垮塌;如果凝結(jié)太快，又會(huì)出現(xiàn)和上層材料的黏合問題。“我們通過反復(fù)試驗(yàn)，在一般的混凝土中添加了外加劑，通過調(diào)節(jié)材料黏稠度和凝結(jié)時(shí)間，解決了這一問題。”霍亮說。

光有打印機(jī)、打印頭和打印材料還不行，“紙張”也同樣重要。“在施工前，我們在地下預(yù)埋了鋼筋，這就相當(dāng)于‘打印紙’，在打印過程中，隨著墻體越來越高，工人趁著混凝土砂漿尚未凝固時(shí)可以像切蛋糕一樣在墻體底部開洞，為墻體內(nèi)的鋼筋籠與地基中的鋼筋焊接預(yù)留出空間，操作相當(dāng)方便。”中建二局廣東建設(shè)基地有限公司科技部副經(jīng)理黃云說。

記者爬上腳手架俯視墻面，發(fā)現(xiàn)墻體是中空的。“這是為了給未來的保溫層等材料填充預(yù)留空間，3D打印建筑的墻體分內(nèi)外兩層打印，設(shè)備按照打印路徑行進(jìn)，打印完占地面積約120平方米的一樓墻面用時(shí)不到30小時(shí)，建造速度很快。”霍亮說。

據(jù)了解，這棟即將整體完工的二層小樓位于工廠的鋼材鍛造車間旁，建成后將用于辦公和展示。與3D打印建筑構(gòu)件再拼裝不同，3D原位打印需要克服戶外環(huán)境變化帶來的一系列挑戰(zhàn)。“建筑周邊有噴霧設(shè)施，用于打印中的保濕和打印后的混凝土養(yǎng)護(hù)，在一層打印完成后，至少需要養(yǎng)護(hù)3天時(shí)間，材料強(qiáng)度達(dá)到可進(jìn)行下一階段施工的條件。目前已安裝完一樓樓頂，正在打印第二層。”霍亮說。

省時(shí)、高效、環(huán)保、設(shè)計(jì)自由度高，3D打印或成現(xiàn)有技術(shù)有益補(bǔ)充

熟悉建筑行業(yè)的人都知道，混凝土澆筑需要模板，但3D打印建筑的施工現(xiàn)場卻沒有。“從傳統(tǒng)工藝特點(diǎn)來說，混凝土結(jié)構(gòu)成型需要模具。尤其對曲面造型設(shè)計(jì)的建筑來說，不論是現(xiàn)場澆注成型，還是工廠預(yù)制構(gòu)件，模具制造成本高且不易實(shí)現(xiàn)。而建筑3D打印技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)智能控制實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件及建筑免模板的施工工藝，在曲面建筑和穹頂式建筑建造上具有明顯優(yōu)勢，同時(shí)為設(shè)計(jì)師自由創(chuàng)作提供了可能。”中國建筑技術(shù)中心材料工程研究所所長張濤說。3D打印技術(shù)無疑將推動(dòng)制造業(yè)的數(shù)字化發(fā)展，在3D打印的世界里，建筑師、工程師和建筑工人將借助科技之力，將建筑與3D打印結(jié)合，完成對現(xiàn)有建筑技術(shù)的再造。

除此之外，3D打印建筑還可大大節(jié)省建筑用料，降低施工成本。

近年來，中國建筑能耗總量逐年上升，在能源總消費(fèi)量中所占比例已從20世紀(jì)70年代末的10%，上升到27.45%。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部建筑節(jié)能與科技司研究表明，隨著城市化進(jìn)程的加快和人民生活質(zhì)量的提高，中國建筑耗能比例將上升至35%左右。建筑3D打印可以充分利用打印智能控制，使建筑一次成型，節(jié)約材料60%，同時(shí)可減少建造過程中的工藝損耗和能源消耗。

韓國一家從事3D打印建筑的公司CORONA總裁申東源曾向媒體表示：“3D打印建筑可以將建造住宅的施工費(fèi)用降低到現(xiàn)在的1/10。假如一套6坪(19.83平方米)單間房施工費(fèi)用是1億韓元，使用3D打印，可將費(fèi)用壓縮到1000萬韓元。”

另一方面，3D打印建筑還能節(jié)約人力成本。在施工現(xiàn)場，記者只看到了五六名工人。“我們這個(gè)項(xiàng)目建筑面積約230平方米，分為上下兩層，每層高度3.6米。打印部分為墻體和構(gòu)造柱，主體打印部分僅需3天。3D技術(shù)打印房屋全部使用機(jī)械自動(dòng)化操作，以往要十二三名工人操作的項(xiàng)目現(xiàn)在用一半人就可以完成”?；袅琳f。

在中國逐步邁入老齡化社會(huì)、人力成本越來越高的形勢下，勞動(dòng)密集型的建筑業(yè)發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)。可以預(yù)見，在用工成本不斷增加的今天，3D打印技術(shù)未來可能對行業(yè)變革產(chǎn)生巨大影響。

不過目前3D打印技術(shù)沒有真正批量應(yīng)用在建筑工程中。“雖然3D打印具有無模板的優(yōu)點(diǎn)，但是打印墻體中的橫向鋼筋、豎向鋼筋、箍筋的布置和連接在目前的工藝中還不能有效解決。”霍亮說，“建筑3D打印技術(shù)與現(xiàn)有施工技術(shù)是互補(bǔ)的、相互依靠的關(guān)系。研發(fā)及應(yīng)用這一技術(shù)不是要替代現(xiàn)有施工技術(shù)，而是將其作為對現(xiàn)有施工技術(shù)的一個(gè)強(qiáng)有力補(bǔ)充。”

國際建筑界普遍關(guān)注，中國3D打印建筑水平與世界同步

在慶祝中華人民共和國成立70周年大會(huì)群眾游行活動(dòng)中，“奮進(jìn)上海”彩車上的中共一大會(huì)址、自貿(mào)區(qū)、陸家嘴等微縮建筑模型都是由3D打印技術(shù)制造的，再一次引發(fā)人們對3D打印技術(shù)的關(guān)注。這一誕生于上世紀(jì)90年代中期的技術(shù)又稱“增材制造”，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于珠寶、鞋類、航空航天、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域，在建筑方面的應(yīng)用還較為前沿。

近年來，3D打印建筑在國內(nèi)外建筑界引起廣泛關(guān)注，相關(guān)探索層出不窮。中國盈創(chuàng)建筑科技公司曾在2015年1月用3D打印機(jī)建造了一個(gè)5層公寓。阿聯(lián)酋“OFFICE OF THE FUTURE”(未來辦公室)項(xiàng)目是全球首個(gè)采用3D打印技術(shù)完成的高檔辦公室項(xiàng)目。今年7月，太空灰3D打印團(tuán)隊(duì)宣布，完成了全球首座整體3D打印的混凝土拱橋。南京嘉翼數(shù)字化增材技術(shù)研究院有限公司用3D打印技術(shù)建成的垃圾投放站今年9月亮相南京江北新區(qū)。不久前，迪拜首座3D打印雙層建筑落成。

“目前，國內(nèi)外建筑3D打印技術(shù)同步發(fā)展，中國建筑行業(yè)在某些應(yīng)用方面甚至已經(jīng)超越國外同行。”霍亮說，“3D打印建筑涉及學(xué)科多，缺少相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范。目前國內(nèi)的相關(guān)行業(yè)組織已經(jīng)成立，國內(nèi)外的業(yè)務(wù)交流活動(dòng)也越來越多。”

國內(nèi)第一個(gè)建筑3D打印領(lǐng)域的行業(yè)組織——中國混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)3D打印分會(huì)于去年成立。中國建筑技術(shù)中心主編的《混凝土3D打印技術(shù)規(guī)程》已經(jīng)起草完畢，目前處于征求意見階段。首屆建筑3D打印國際會(huì)議去年11月在澳大利亞墨爾本舉行，今年10月落戶天津，由河北工業(yè)大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合主辦。

《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出：“增材制造(3D打印)、機(jī)器人與智能制造、超材料與納米材料等領(lǐng)域技術(shù)不斷取得重大突破，推動(dòng)傳統(tǒng)工業(yè)體系分化變革，將重塑制造業(yè)國際分工格局。”同時(shí)明確提出“打造增材制造產(chǎn)業(yè)鏈”。在國家政策引領(lǐng)下，國內(nèi)建筑企業(yè)在3D打印方面的探索正步步深入。“暢想未來，這一技術(shù)也許會(huì)應(yīng)用在外太空建造中，我們可能只需要一個(gè)‘打印機(jī)’就能從月球表面提取材料造房子了。”霍亮說。（張鵬禹）