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“打印”出来的房子主体结构完成 啥模样?

来源:经济日报

作者:

2019-11-28 16:09:11

“世界首例原位3D打印双层示范建筑”效果图。

随着3D打印建筑技术的不断发展,其对整个建筑行业的影响在不断加深。日前,“世界首例原位3D打印双层示范建筑”在广东成功完成主体结构,意味着我国建筑3D打印技术在某些应用方面已经超越国外同行,未来有望深入改变我们的生活。

两层小楼,7.2米高,一层层叠起的墙体,颜色灰突突的。在一栋栋摩天大厦拔地而起、众多地标性建筑彰显特色的今天,这样一栋小楼,显得很平常。

但是,如果这栋小楼是“3D打印”出来的呢?

这栋小楼不寻常

11月17日,中建二局广东建设基地。一个高大的金属框架立在地面,喷吐混凝土材料的“打印头”悬挂其上,可以实现XYZ轴3个方向上的自由移动。此时,连续“喷墨”几十个小时的建筑3D打印机已经完成了工作——这栋其貌不扬的小楼就是它的作品。

小楼有个响当当的名号——“世界首例原位3D打印双层示范建筑”。其特殊性在于,它是一栋“原位3D打印”出来的建筑,是一栋不用拼装、在现场直接将主体打印成形的建筑,也是一栋首次运用这项技术并成功完成的双层建筑。同时,这也意味着我国建筑3D打印技术与国际同步发展,甚至在某些应用方面已经超越国外同行。从这个角度看,这栋小楼不寻常。

3D打印技术诞生于上世纪90年代中期。一般认为,这是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可黏合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术,在航空航天、医疗产业等领域都有应用,而应用在建筑方面还很少见。

中国建筑技术中心材料工程研究所所长助理霍亮介绍:“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。”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”就相当于打印机的喷头。建筑打印用的“油墨”可不是普通的混凝土,而是为打印施工特殊配制的打印材料。当然,“纸张”也十分重要。在施工前,工人在地下预埋钢筋,这就相当于“纸张”了。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,不到30个小时就能打印完占地面积约120平方米的一层楼墙面。而且在打印过程中,随着墙体不断升高,还需要按照图纸加装钢筋,使“纸张”实现动态延伸。

“工人可以趁着混凝土砂浆尚未凝固时在墙体底部开洞,为墙体内的钢筋笼与地基中的钢筋焊接预留出空间。”中建二局广东建设基地有限公司科技部副经理黄云补充说,“手感像是切蛋糕,操作起来相当方便”。

打印技术不寻常

且不说现场观感,从技术层面描述建筑的“打印”过程也不复杂:先是通过计算机软件完成模型分割;接着将三维图形信息转化成打印路径,同时计算出打印速度;然后输送泵将打印材料送至打印头,打印头再按照设定程序进行三维走位,建筑构件就被“打印”出来了。此次打印完成占地面积约120平方米的一楼墙面,用时不到30个小时。

然而,新技术简单易行的背后是科技力量的强大支撑。

一是打印材料不寻常。宽5厘米、厚2.5厘米的混凝土材料一层覆盖一层,如果下层混凝土凝结慢,强度不够,就无法支撑上层材料的重量,有可能导致墙面变形甚至垮塌;如果凝结得太快,每一层材料与上层材料的有效黏合又难以实现。如何让混凝土满足3D打印建筑的需求,本身就是个难题。“我们通过反复试验,在普通混凝土中添加了外加剂,通过调节材料黏稠度和凝结时间,解决了这一问题。”霍亮说。

二是原位3D打印建筑技术不寻常。客观地看,在建筑行业引入“3D打印”技术已有先例,但大部分应用都在工厂中完成。工厂打印出能够组合拼装成形的各种建筑构件,然后搬运到建筑所在地进行拼装。而原位3D打印建造技术可以实现原位打印,即在现场直接将主体打印成形,无需二次拼装,这需要克服户外环境变化带来的一系列挑战。对此,施工人员在建筑周边装备喷雾设施,用于打印中的保湿和打印后的混凝土养护。“饭要一口一口吃,楼要一层一层印。在一层墙体打印完成后,我们还需养护至少3天,确保材料强度达到可开展下阶段施工的条件。”中建二局广东建设基地有限公司总工程师苏铠说。

三是建造难度不寻常。此次实践,他们采用轮廓工艺,分内外两层打印,打印出的墙体是“空心”的,方便添加保暖填充物。而将这项技术成功运用到难度更大的双层建筑建造上,更是一种突破。

在不寻常中求索“寻常”

研制3D打印建筑,意义何在?

苏铠向记者介绍:与传统施工技术相比,3D打印技术的机械化程度更高、成本更低;而且整个施工过程不需要模板,不但能节约材料约60%,还可减少建造过程中的工艺损耗和能源消耗;由于3D技术打印房屋全部使用机械自动化操作,以往要十几名工人操作的项目完全可以减少一半人力;特别重要的是,整个施工过程更加安全,工人的劳动强度也降低不少。

站在更大的格局上看,建筑3D打印技术对整个建筑行业的影响亦在不断加深。一方面,应用这一技术可实现更高的设计自由度,这为建筑设计师的自由创作提供了更多可能;另一方面,这一技术可实现更高的定制化要求,能推动建筑的标准化与个性化更好结合。“这将是一个打破传统束缚、使建筑结构顺应个性化需求的过程。”霍亮说。

无论技术有多牛,能否实现大规模应用才是关键。于是,在一系列不寻常中求索“寻常”,是建筑3D打印技术研发团队始终关注的问题。此次原位3D打印技术的成功应用,克服了需要大量机械吊装预制构件、构件二次运输等问题,为3D打印技术在建筑领域的推广奠定了基础。

现实地看,从技术突破到应用推广,建筑3D打印还有很长一段路要走,还有一些难题尚未解决。比如,3D打印具有无模板的优点,但是打印墙体中的横向钢筋、竖向钢筋、箍筋的布置和连接在目前的工艺中还不能有效解决;又如,不同建筑环境对打印材料的要求也不同,研发具有更优越强度及耐久性的建筑3D打印材料,也是建筑3D打印技术更好推广的重要基础;再如,建筑3D打印机也需要进一步强化能力、实现更多功能,能够根据建筑的体量大小、建筑场地附近的施工条件以及施工进度的要求,进行全尺寸打印、分段组装式打印、群组机器人集合打印等。

因此,霍亮特别强调:“建筑3D打印技术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。”

虽然未来的不确定性很多,但可以预见的是,由于建筑3D打印技术的不断发展,整个建筑行业的设计、施工思路与方法必将随之变化。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。

[责任编辑:杨凡、时慧敏]

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