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3D打印建筑革命已越来越近?

时间:2019-03-26 15:41 来源:未知 作者:中国3D打印机网 阅读:
       我们都知道,3D打印实际上是利用光固化和纸层叠等方式实现快速成型的技术。它与普通打印机工作原理基本相同,打印机内装有粉末状金属或塑料等可黏合材料,与电脑连接后,通过一层又一层的多层打印方式,最终把计算机上的蓝图变成实物。
 
      而3D打印建筑技术促进工程建设行业与制造行业融合。如果3D打印建筑技术能够普及,预计打印机器的造价大约在10-15万美元,一般的小型建筑公司完全能够负担得起。只要有计算机和3D打印机,即便是在没有建造团队的地方都能大批量生产房子。这种新型的生产方式是“社会化制造”,如得到广泛的运用,那么人人都可能成为“建造者”。
与传统建筑建造方式相比, 3D打印技术具有如下优势:

(1) 结构整体成形,建筑整体性、安全性和耐久性大幅增强。
(2) 根据使用者的实际需求量身定制。
(3) 高精度且适用于复杂形体的建造。
(4) 不需要模板,大量节省现场人员。
(5) 适应恶劣环境的无人、少人建造。
(6) 建造速度快。
(7) 局部增材处理。

3D打印建筑的两种可能的解决方案:

      1.建筑工程模块新材料的打印:即3D打印用于建造复杂结构,即建筑模块(Buildingblocks)而非整座建筑。对于模块建筑体系而言,3D 打印技术可以应用于独立单元的生产,并可在工厂内对模块内部进行装修布置,随后运输到现场通过吊装将模块连接为可靠的建筑整体。

      2.直接用3D打印机进行施工(AEC)模拟打印出整栋建筑:具体打印过程如下:先在待建房屋的空地上安装大型“打印”设备,该过程大概仅需要两三名工人几个小时时间。该设备外观类似两边有滑轨的巨大行车,根据房屋三维设计图纸,稳定、均匀挤压混凝土,一层一层叠加“打印”与此同时机械手还能进行其他建筑材料的安装,甚至可以做像铺设瓷砖这样的精细活。
      目前,3D打印房屋已遍地开花。欧洲建造了多个3D打印建筑物,美国出现了3D打印的小房子。前段时间,迪拜也宣称它计划在不久的将来有相当比例的家庭使用3D打印房屋,并且已经通过办公大楼和实验室的3D打印证明了其功能。我国北京、杭州、东莞、青海等地也相继加入了建造3D打印房屋的行列。
以下就是利用上述某个优势而进行建筑3D打印研究的有益尝试:
桥梁结构3D打印与装配式
       由清华大学(建筑学院)——中南置地数字建筑研究中心徐卫国教授团队设计研发、并与上海智慧湾投资管理有限公司共同建造的世界最大规模3D打印混凝土桥,于2019年1月12日在蕰川路智慧湾科创园落成。该桥外形参仿赵州桥,全长26.3米,拱长14.4米,宽3.6米,横跨园区景观鱼池。采用桥梁部件3D打印混凝土技术打印+装配式技术拼装的方式实现。
 
3D打印混凝土桥
建筑结构3D打印

    创业公司ICON研制3D打印机器,可以在48小时内打印出32平米的住宅,打印部分重量约为900kg,打印价格约为1万美元,符合美国德克萨斯州的住房标准。打印材料为小骨料混凝土,通过逐层打印(浇筑)方式实现。

 
3D打印混凝土单层房屋
苏州盈创公司打印建筑
      盈创新材料(苏州)公司于2014年1月,在苏州工业园区使用3D打印构件+装配式组装的方式建造一栋面积1100平方米的别墅和一栋6层居民楼。
 
盈创新材料(苏州)公司3D打印别墅
整个生产流程如下:
 

盈创3D打印产品的工作流程
盈创公司针对3D打印建筑物存在的技术难题采用了相应的解决方案:
   (1) 打印构件以水泥与玻璃纤维作为原材料、打印类似GRC的构件,较好解决了别墅和多层的表层结构材料问题。与传统钢筋混凝土结构相比,采用水泥替代混凝土、玻璃纤维替代钢筋。后续尚需进一步解决水泥玻璃纤维构件的受力试验及承载能力极限状态计算公式推演,玻璃纤维在水泥中的锚固搭接构造,构件的质量验收标准等问题。
 
以水泥为原材料打印构件
(2) 3D打印机采用龙门架结构形式,把传统混凝土浇筑方式简易转换为3D打印方式;通过自动定位系统,准确定位钢筋网片和其他装饰构件的摆放位置,减少人工干预、降低误差。

 
3D打印构件
(3) 通过装配式技术解决打印构件尺寸有限的问题,其中一项关键技术就是利用“双皮墙”原理整体解决外饰面、埋设管线和结构连接受力的问题。

 
双皮墙
      盈创公司较好地解决了低层或多层建筑物的3D打印技术难题,形成了成套的实际解决方案。后期可在打印构件表观质量的改良、围护墙与保温隔热装饰一体化的实现等方面进一步提升。
基于上述案例的研究及分析,总结3D打印建筑面临的难题:
1.研发具有较高抗拉强度、较强抗裂能力和塑性的复合材料,可以通过在混凝土基材中加入纤维材料和细骨料的方法来提高其抗拉强度和各项性能指标。
2.采用两种打印材料,一种为受压材料,一种为受拉材料,打印时设置双打印头,在构件的受拉部位打印受拉材料,受压部位打印受压材料。两种打印材料之间必须具有良好的黏结性能,才能有效形成一个整体工作。
3.采用受拉性能良好的模板,将受压材料打印在模板中。模板可以起到3个作用:一是支撑作用;二是作为受拉材料,起到类似于钢筋的作用;三是可以解决打印材料表面粗糙的问题。模板材料可以采用钢板或者受拉性能良好且有一定刚度的纤维材料。
4.打印机械的研制,打印机械是实现3D打印建造技术的重要工具。打印机械的移动范围直接影响到可打印建筑的尺寸,打印喷头的性能直接影响到打印精度和打印效果。
      综上所述,目前民用建筑建造全部采用3D打印技术极其不现实,只能尝试在发挥3D打印优势的局部部位应用。
      虽然3D打印有望改变现有的建筑结构及其风格,但因其普及速度一直较慢,并没有成为当前的主流建造技术。采用3D打印建筑物的探索之路仍然漫长,需要直面并克服在材料发展、技术标准、质监管控、打印质量和综合价格等多方面存在的困难和问题。新技术的发展总是令人振奋,而短暂热潮之后,我们终须理性看待这项技术为建筑业带来的实际影响,你认为3D打印建筑革命何时到来?

(责任编辑:中国3D打印机网)