3D打印建筑革命已越來越近?

來源：蜂鳥發(fā)現(xiàn)3D打印

我們都知道，3D打印實際上是利用光固化和紙層疊等方式實現(xiàn)快速成型的技術(shù)。它與普通打印機工作原理基本相同，打印機內(nèi)裝有粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，與電腦連接后，通過一層又一層的多層打印方式，最終把計算機上的藍圖變成實物。

而3D打印建筑技術(shù)促進工程建設行業(yè)與制造行業(yè)融合。如果3D打印建筑技術(shù)能夠普及，預計打印機器的造價大約在10-15萬美元，一般的小型建筑公司完全能夠負擔得起。只要有計算機和3D打印機，即便是在沒有建造團隊的地方都能大批量生產(chǎn)房子。這種新型的生產(chǎn)方式是“社會化制造”，如得到廣泛的運用，那么人人都可能成為“建造者”。

與傳統(tǒng)建筑建造方式相比， 3D打印技術(shù)具有如下優(yōu)勢：


（1） 結(jié)構(gòu)整體成形，建筑整體性、安全性和耐久性大幅增強。
（2） 根據(jù)使用者的實際需求量身定制。
（3） 高精度且適用于復雜形體的建造。
（4） 不需要模板，大量節(jié)省現(xiàn)場人員。
（5） 適應惡劣環(huán)境的無人、少人建造。
（6） 建造速度快。
（7） 局部增材處理。

3D打印建筑的兩種可能的解決方案
1.建筑工程模塊新材料的打�。�即3D打印用于建造復雜結(jié)構(gòu)，即建筑模塊(Buildingblocks)而非整座建筑。對于模塊建筑體系而言，3D 打印技術(shù)可以應用于獨立單元的生產(chǎn)，并可在工廠內(nèi)對模塊內(nèi)部進行裝修布置，隨后運輸?shù)浆F(xiàn)場通過吊裝將模塊連接為可靠的建筑整體。


2.直接用3D打印機進行施工（AEC）模擬打印出整棟建筑：具體打印過程如下:先在待建房屋的空地上安裝大型“打印”設備，該過程大概僅需要兩三名工人幾個小時時間。該設備外觀類似兩邊有滑軌的巨大行車，根據(jù)房屋三維設計圖紙，穩(wěn)定、均勻擠壓混凝土，一層一層疊加“打印”與此同時機械手還能進行其他建筑材料的安裝，甚至可以做像鋪設瓷磚這樣的精細活。

目前，3D打印房屋已遍地開花。歐洲建造了多個3D打印建筑物，美國出現(xiàn)了3D打印的小房子。前段時間，迪拜也宣稱它計劃在不久的將來有相當比例的家庭使用3D打印房屋，并且已經(jīng)通過辦公大樓和實驗室的3D打印證明了其功能。我國北京、杭州、東莞、青海等地也相繼加入了建造3D打印房屋的行列。

以下就是利用上述某個優(yōu)勢而進行建筑3D打印研究的有益嘗試：

橋梁結(jié)構(gòu)3D打印與裝配式
由清華大學（建筑學院）——中南置地數(shù)字建筑研究中心徐衛(wèi)國教授團隊設計研發(fā)、并與上海智慧灣投資管理有限公司共同建造的世界最大規(guī)模3D打印混凝土橋，于2019年1月12日在蕰川路智慧灣科創(chuàng)園落成。該橋外形參仿趙州橋，全長26.3米，拱長14.4米，寬3.6米，橫跨園區(qū)景觀魚池。采用橋梁部件3D打印混凝土技術(shù)打印+裝配式技術(shù)拼裝的方式實現(xiàn)。

3D打印混凝土橋

建筑結(jié)構(gòu)3D打印
創(chuàng)業(yè)公司ICON研制3D打印機器，可以在48小時內(nèi)打印出32平米的住宅，打印部分重量約為900kg，打印價格約為1萬美元，符合美國德克薩斯州的住房標準。打印材料為小骨料混凝土，通過逐層打�。�澆筑）方式實現(xiàn)。

3D打印混凝土單層房屋

蘇州盈創(chuàng)公司打印建筑

盈創(chuàng)新材料（蘇州）公司于2014年1月，在蘇州工業(yè)園區(qū)使用3D打印構(gòu)件+裝配式組裝的方式建造一棟面積1100平方米的別墅和一棟6層居民樓。

盈創(chuàng)新材料（蘇州）公司3D打印別墅

整個生產(chǎn)流程如下:

盈創(chuàng)3D打印產(chǎn)品的工作流程
盈創(chuàng)公司針對3D打印建筑物存在的技術(shù)難題采用了相應的解決方案：

（1） 打印構(gòu)件以水泥與玻璃纖維作為原材料、打印類似GRC的構(gòu)件，較好解決了別墅和多層的表層結(jié)構(gòu)材料問題。與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，采用水泥替代混凝土、玻璃纖維替代鋼筋。后續(xù)尚需進一步解決水泥玻璃纖維構(gòu)件的受力試驗及承載能力極限狀態(tài)計算公式推演，玻璃纖維在水泥中的錨固搭接構(gòu)造，構(gòu)件的質(zhì)量驗收標準等問題。

以水泥為原材料打印構(gòu)件

（2） 3D打印機采用龍門架結(jié)構(gòu)形式，把傳統(tǒng)混凝土澆筑方式簡易轉(zhuǎn)換為3D打印方式；通過自動定位系統(tǒng)，準確定位鋼筋網(wǎng)片和其他裝飾構(gòu)件的擺放位置，減少人工干預、降低誤差。

3D打印構(gòu)件

（3） 通過裝配式技術(shù)解決打印構(gòu)件尺寸有限的問題，其中一項關鍵技術(shù)就是利用“雙皮墻”原理整體解決外飾面、埋設管線和結(jié)構(gòu)連接受力的問題。

雙皮墻

盈創(chuàng)公司較好地解決了低層或多層建筑物的3D打印技術(shù)難題，形成了成套的實際解決方案。后期可在打印構(gòu)件表觀質(zhì)量的改良、圍護墻與保溫隔熱裝飾一體化的實現(xiàn)等方面進一步提升。

基于上述案例的研究及分析，總結(jié)3D打印建筑面臨的難題：

1.研發(fā)具有較高抗拉強度、較強抗裂能力和塑性的復合材料，可以通過在混凝土基材中加入纖維材料和細骨料的方法來提高其抗拉強度和各項性能指標。

2.采用兩種打印材料，一種為受壓材料，一種為受拉材料，打印時設置雙打印頭，在構(gòu)件的受拉部位打印受拉材料，受壓部位打印受壓材料。兩種打印材料之間必須具有良好的黏結(jié)性能，才能有效形成一個整體工作。

3.采用受拉性能良好的模板，將受壓材料打印在模板中。模板可以起到3個作用：一是支撐作用；二是作為受拉材料，起到類似于鋼筋的作用；三是可以解決打印材料表面粗糙的問題。模板材料可以采用鋼板或者受拉性能良好且有一定剛度的纖維材料。

4.打印機械的研制，打印機械是實現(xiàn)3D打印建造技術(shù)的重要工具。打印機械的移動范圍直接影響到可打印建筑的尺寸，打印噴頭的性能直接影響到打印精度和打印效果。


綜上所述，目前民用建筑建造全部采用3D打印技術(shù)極其不現(xiàn)實，只能嘗試在發(fā)揮3D打印優(yōu)勢的局部部位應用。

雖然3D打印有望改變現(xiàn)有的建筑結(jié)構(gòu)及其風格，但因其普及速度一直較慢，并沒有成為當前的主流建造技術(shù)。采用3D打印建筑物的探索之路仍然漫長，需要直面并克服在材料發(fā)展、技術(shù)標準、質(zhì)監(jiān)管控、打印質(zhì)量和綜合價格等多方面存在的困難和問題。新技術(shù)的發(fā)展總是令人振奮，而短暫熱潮之后，我們終須理性看待這項技術(shù)為建筑業(yè)帶來的實際影響，你認為3D打印建筑革命何時到來?

來源：蜂鳥發(fā)現(xiàn)3D打印