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“吃进去”原材料 “吐出来”一栋楼

2019-11-15 15:18:00 来源:人民网
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3D打印设备正在打印墙面

装配式混凝土3D打印赵州桥今年10月在河北工业大学落成。

资料图片

中建二局广东建设基地3D原位打印二层示范建筑施工现场

3D打印墙体特写

(本版其他图片由中建二局华南公司提供)

盖房子能像打印机打印东西一样?如果不是亲眼所见,恐怕很难相信,眼前正在建设中的小楼,一楼墙面全部是由悬挂在空中的喷头“打印”出来的。日前,记者走进中建二局广东建设基地,探访世界首个3D原位打印二层示范建筑。记者看到,小楼四周搭建着高大的金属框架,悬挂在上面的打印头可以在XYZ轴三个方向上自由移动,通过喷吐混凝土材料“盖房”。

“打印机、喷头、油墨、纸张”一样不少,打印一层楼不到30个小时

“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。”中国建筑技术中心材料工程研究所所长助理霍亮介绍说。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一般打印机的喷头,只不过它喷出的既不是油墨也不是一般的混凝土,而是为打印施工特别配制的打印材料。“就像炒菜会放盐和酱油一样,为了适应3D打印的特点,我们在建筑材料上做了一些调整。”霍亮说。

众所周知,传统的建筑施工中,混凝土砂浆的材料特性决定了其浇筑不能间断,要一次完成。3D打印建筑也同样不能间断,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。但是问题来了,如果下层混凝土凝结慢,没有形成足够的强度,就无法支撑上层材料的重量,导致墙面变形甚至垮塌;如果凝结太快,又会出现和上层材料的黏合问题。“我们通过反复试验,在一般的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。

光有打印机、打印头和打印材料还不行,“纸张”也同样重要。“在施工前,我们在地下预埋了钢筋,这就相当于‘打印纸’,在打印过程中,随着墙体越来越高,工人趁着混凝土砂浆尚未凝固时可以像切蛋糕一样在墙体底部开洞,为墙体内的钢筋笼与地基中的钢筋焊接预留出空间,操作相当方便。”中建二局广东建设基地有限公司科技部副经理黄云说。

记者爬上脚手架俯视墙面,发现墙体是中空的。“这是为了给未来的保温层等材料填充预留空间,3D打印建筑的墙体分内外两层打印,设备按照打印路径行进,打印完占地面积约120平方米的一楼墙面用时不到30小时,建造速度很快。”霍亮说。

据了解,这栋即将整体完工的二层小楼位于工厂的钢材锻造车间旁,建成后将用于办公和展示。与3D打印建筑构件再拼装不同,3D原位打印需要克服户外环境变化带来的一系列挑战。“建筑周边有喷雾设施,用于打印中的保湿和打印后的混凝土养护,在一层打印完成后,至少需要养护3天时间,材料强度达到可进行下一阶段施工的条件。目前已安装完一楼楼顶,正在打印第二层。”霍亮说。

省时、高效、环保、设计自由度高,3D打印或成现有技术有益补充

熟悉建筑行业的人都知道,混凝土浇筑需要模板,但3D打印建筑的施工现场却没有。“从传统工艺特点来说,混凝土结构成型需要模具。尤其对曲面造型设计的建筑来说,不论是现场浇注成型,还是工厂预制构件,模具制造成本高且不易实现。而建筑3D打印技术是基于计算机智能控制实现建筑构件及建筑免模板的施工工艺,在曲面建筑和穹顶式建筑建造上具有明显优势,同时为设计师自由创作提供了可能。”中国建筑技术中心材料工程研究所所长张涛说。3D打印技术无疑将推动制造业的数字化发展,在3D打印的世界里,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。

除此之外,3D打印建筑还可大大节省建筑用料,降低施工成本。

近年来,中国建筑能耗总量逐年上升,在能源总消费量中所占比例已从20世纪70年代末的10%,上升到27.45%。住房和城乡建设部建筑节能与科技司研究表明,随着城市化进程的加快和人民生活质量的提高,中国建筑耗能比例将上升至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,节约材料60%,同时可减少建造过程中的工艺损耗和能源消耗。

韩国一家从事3D打印建筑的公司CORONA总裁申东源曾向媒体表示:“3D打印建筑可以将建造住宅的施工费用降低到现在的1/10。假如一套6坪(19.83平方米)单间房施工费用是1亿韩元,使用3D打印,可将费用压缩到1000万韩元。”

另一方面,3D打印建筑还能节约人力成本。在施工现场,记者只看到了五六名工人。“我们这个项目建筑面积约230平方米,分为上下两层,每层高度3.6米。打印部分为墙体和构造柱,主体打印部分仅需3天。3D技术打印房屋全部使用机械自动化操作,以往要十二三名工人操作的项目现在用一半人就可以完成”。霍亮说。

在中国逐步迈入老龄化社会、人力成本越来越高的形势下,劳动密集型的建筑业发展面临巨大挑战。可以预见,在用工成本不断增加的今天,3D打印技术未来可能对行业变革产生巨大影响。

不过目前3D打印技术没有真正批量应用在建筑工程中。“虽然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。”霍亮说,“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。”

国际建筑界普遍关注,中国3D打印建筑水平与世界同步

在庆祝中华人民共和国成立70周年大会群众游行活动中,“奋进上海”彩车上的中共一大会址、自贸区、陆家嘴等微缩建筑模型都是由3D打印技术制造的,再一次引发人们对3D打印技术的关注。这一诞生于上世纪90年代中期的技术又称“增材制造”,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,广泛应用于珠宝、鞋类、航空航天、医疗产业等领域,在建筑方面的应用还较为前沿。

近年来,3D打印建筑在国内外建筑界引起广泛关注,相关探索层出不穷。中国盈创建筑科技公司曾在2015年1月用3D打印机建造了一个5层公寓。阿联酋“OFFICE OF THE FUTURE”(未来办公室)项目是全球首个采用3D打印技术完成的高档办公室项目。今年7月,太空灰3D打印团队宣布,完成了全球首座整体3D打印的混凝土拱桥。南京嘉翼数字化增材技术研究院有限公司用3D打印技术建成的垃圾投放站今年9月亮相南京江北新区。不久前,迪拜首座3D打印双层建筑落成。

“目前,国内外建筑3D打印技术同步发展,中国建筑行业在某些应用方面甚至已经超越国外同行。”霍亮说,“3D打印建筑涉及学科多,缺少相关的技术标准、设计规范。目前国内的相关行业组织已经成立,国内外的业务交流活动也越来越多。”

国内第一个建筑3D打印领域的行业组织——中国混凝土与水泥制品协会3D打印分会于去年成立。中国建筑技术中心主编的《混凝土3D打印技术规程》已经起草完毕,目前处于征求意见阶段。首届建筑3D打印国际会议去年11月在澳大利亚墨尔本举行,今年10月落户天津,由河北工业大学和同济大学联合主办。

《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》指出:“增材制造(3D打印)、机器人与智能制造、超材料与纳米材料等领域技术不断取得重大突破,推动传统工业体系分化变革,将重塑制造业国际分工格局。”同时明确提出“打造增材制造产业链”。在国家政策引领下,国内建筑企业在3D打印方面的探索正步步深入。“畅想未来,这一技术也许会应用在外太空建造中,我们可能只需要一个‘打印机’就能从月球表面提取材料造房子了。”霍亮说。

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