3D打印或掀建筑產(chǎn)業(yè)大革命

發(fā)布日期：2017-02-03來源：中國建設報編輯：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，按照設計圖用3D打印機噴出高性能混凝土，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。

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

優(yōu)勢：速度快、不使用模板且綠色環(huán)保

建筑3D打印技術是將3D打印與建筑施工有機結(jié)合起來的一種新型建筑技術，其原理是將需要打印的建筑構(gòu)件利用計算機軟件進行模型分割，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打印機依照軟件預先處理好的路徑，使打印材料逐層疊加，最終制備得到建筑構(gòu)件。建筑3D打印技術已經(jīng)成為一種工業(yè)化發(fā)展的趨勢。目前，基于計算機控制的快速成型技術日臻成熟，3D打印建筑也在全世界不同的國家和地區(qū)開始出現(xiàn)并得到關注。

中建技術中心環(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。建筑3D打印技術的發(fā)展，必將成為傳統(tǒng)建造技術的一個有力補充。”

建筑3D打印的研究和應用剛起步。近幾年已有一些嘗試研究和探索：美國明尼蘇達州一個3D打印團隊用單打印頭機器打印完成了占地3米×5米“中世紀城堡”，是目前建筑3D打印技術應用的一個比較經(jīng)典的案例。該項目采用非整體現(xiàn)場打印，部分構(gòu)件打印完成后再現(xiàn)場吊裝。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打印出有兩間臥室、一間客廳和一個帶按摩浴缸的房間，用時100小時，建筑占地面積10.5×12.5米。

縱觀現(xiàn)有的國內(nèi)外建筑3D打印技術的應用，普遍存在技術還不夠完善、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打印技術主要處于研發(fā)和技術改進階段，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)、形狀不太復雜的小型建筑。而在實際工程施工階段，建筑3D打印技術還處在不斷的探究和摸索階段。”

研發(fā)：新材料、新設備為3D打印提供支撐

機械和技術發(fā)展促進了新思維的產(chǎn)生，將實際和創(chuàng)新連接在了一起，更好地深入建設領域。建筑3D打印技術最重要的技術之一是材料技術。隨著工業(yè)精密機床技術和機器人技術的不斷發(fā)展，越來越需要材料技術來滿足建筑3D打印的需要。張濤告訴記者：“建筑3D打印材料是在傳統(tǒng)建筑原材料基礎上對混凝土材料的改進與升華，因此它的性能首先要滿足現(xiàn)有標準中建筑物對混凝土強度和耐久性能的要求。另外，從經(jīng)濟性和環(huán)保性方面來說，還應該滿足原材料就地取材、成本低、綠色環(huán)保等要求。”

建筑3D打印技術的一個特點是沒有模板，因此打印材料的可堆積性和下層材料對逐漸增加的上層材料的承載力非常重要。建筑3D打印技術對材料的性能要求主要有凝結(jié)時間、強度、工作時流動性等。張濤說：“具體來講，一是凝結(jié)時間要能夠根據(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度，保證連續(xù)3D打印過程中對建筑結(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，是制備建筑3D打印材料的有利選擇，但因為其水化速度慢、凝結(jié)時間較長、早期強度低的特點，制約了其作為建筑3D打印材料的應用。環(huán)境與材料工程研究所對此進行了研究，采用不同的技術對比，多次試驗，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。

3D打印機是實現(xiàn)最終成品的關鍵。建筑3D打印裝置和控制系統(tǒng)的技術特征是要自主設計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)以及相應的打印工藝。目前，國內(nèi)外建筑3D打印的重點放在打印機的結(jié)構(gòu)上，出現(xiàn)了如行吊式、龍門式、布料機式的建筑3D打印機形式，但對適用于建筑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)和雕刻機形式的控制系統(tǒng)又無法滿足實際打印要求。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)和機遇并存

無論是通過改進3D打印的建筑材料，還是優(yōu)化3D打印建筑物的設計，最終目的都是為了通過3D打印技術建造出節(jié)省材料、造型豐富而獨特并且堅固耐用、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。可以預見，要實現(xiàn)技術的普及還有不少的困難要克服。2016年8月，住房城鄉(xiāng)建設部下發(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打印設備及材料的研究。結(jié)合BIM技術應用，探索3D打印技術運用于建筑部品、構(gòu)件生產(chǎn)，開展示范應用。

建筑3D打印技術在未來的發(fā)展存在諸多機遇和挑戰(zhàn)。張濤認為，要加快建筑3D打印技術相關標準制定的推行工作，為建筑3D打印技術提供一個可持續(xù)的發(fā)展空間。

實現(xiàn)建筑3D打印機多功能化。通過不斷的研發(fā)創(chuàng)新，使建筑3D打印機具有更多功能，如模塊化、可爬升，開發(fā)出更實用的建筑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，還要推進建筑3D打印技術和傳統(tǒng)建造技術的兼容和互補。建筑3D打印技術不是萬能的，通過不斷創(chuàng)新和完善使其與傳統(tǒng)的建造技術完美融合、互為補充是建筑3D打印技術發(fā)展的一個重要方向。
                             

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