3D打印建筑革命已越來(lái)越近?

來(lái)源：蜂鳥發(fā)現(xiàn)3D打印

我們都知道，3D打印實(shí)際上是利用光固化和紙層疊等方式實(shí)現(xiàn)快速成型的技術(shù)。它與普通打印機(jī)工作原理基本相同，打印機(jī)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(guò)一層又一層的多層打印方式，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。

而3D打印建筑技術(shù)促進(jìn)工程建設(shè)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(yù)計(jì)打印機(jī)器的造價(jià)大約在10-15萬(wàn)美元，一般的小型建筑公司完全能夠負(fù)擔(dān)得起。只要有計(jì)算機(jī)和3D打印機(jī)，即便是在沒(méi)有建造團(tuán)隊(duì)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(huì)化制造”，如得到廣泛的運(yùn)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(shì)：


（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(qiáng)。
（2） 根據(jù)使用者的實(shí)際需求量身定制。
（3） 高精度且適用于復(fù)雜形體的建造。
（4） 不需要模板，大量節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)人員。
（5） 適應(yīng)惡劣環(huán)境的無(wú)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(fù)雜結(jié)構(gòu)，即建筑模塊(Buildingblocks)而非整座建筑。對(duì)于模塊建筑體系而言，3D 打印技術(shù)可以應(yīng)用于獨(dú)立單元的生產(chǎn)，并可在工廠內(nèi)對(duì)模塊內(nèi)部進(jìn)行裝修布置，隨后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)吊裝將模塊連接為可靠的建筑整體。


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

目前，3D打印房屋已遍地開花。歐洲建造了多個(gè)3D打印建筑物，美國(guó)出現(xiàn)了3D打印的小房子。前段時(shí)間，迪拜也宣稱它計(jì)劃在不久的將來(lái)有相當(dāng)比例的家庭使用3D打印房屋，并且已經(jīng)通過(guò)辦公大樓和實(shí)驗(yàn)室的3D打印證明了其功能。我國(guó)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(gè)優(yōu)勢(shì)而進(jìn)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(xué)（建筑學(xué)院）——中南置地?cái)?shù)字建筑研究中心徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(zhǎng)26.3米，拱長(zhǎng)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(shí)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(jī)器，可以在48小時(shí)內(nèi)打印出32平米的住宅，打印部分重量約為900kg，打印價(jià)格約為1萬(wàn)美元，符合美國(guó)德克薩斯州的住房標(biāo)準(zhǔn)。打印材料為小骨料混凝土，通過(guò)逐層打�。�澆筑）方式實(shí)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(gè)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(duì)3D打印建筑物存在的技術(shù)難題采用了相應(yīng)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(wèn)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(jìn)一步解決水泥玻璃纖維構(gòu)件的受力試驗(yàn)及承載能力極限狀態(tài)計(jì)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(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題。

以水泥為原材料打印構(gòu)件

（2） 3D打印機(jī)采用龍門架結(jié)構(gòu)形式，把傳統(tǒng)混凝土澆筑方式簡(jiǎn)易轉(zhuǎn)換為3D打印方式；通過(guò)自動(dòng)定位系統(tǒng)，準(zhǔn)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(yù)、降低誤差。

3D打印構(gòu)件

（3） 通過(guò)裝配式技術(shù)解決打印構(gòu)件尺寸有限的問(wèn)題，其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是利用“雙皮墻”原理整體解決外飾面、埋設(shè)管線和結(jié)構(gòu)連接受力的問(wèn)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(shí)際解決方案。后期可在打印構(gòu)件表觀質(zhì)量的改良、圍護(hù)墻與保溫隔熱裝飾一體化的實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)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(qiáng)度、較強(qiáng)抗裂能力和塑性的復(fù)合材料，可以通過(guò)在混凝土基材中加入纖維材料和細(xì)骨料的方法來(lái)提高其抗拉強(qiáng)度和各項(xiàng)性能指標(biāo)。

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(shí)設(shè)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(gè)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(gè)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(wèn)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(jī)械的研制，打印機(jī)械是實(shí)現(xiàn)3D打印建造技術(shù)的重要工具。打印機(jī)械的移動(dòng)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(shí)，只能嘗試在發(fā)揮3D打印優(yōu)勢(shì)的局部部位應(yīng)用。

雖然3D打印有望改變現(xiàn)有的建筑結(jié)構(gòu)及其風(fēng)格，但因其普及速度一直較慢，并沒(méi)有成為當(dāng)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(zhǎng)，需要直面并克服在材料發(fā)展、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)監(jiān)管控、打印質(zhì)量和綜合價(jià)格等多方面存在的困難和問(wèn)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(xiàng)技術(shù)為建筑業(yè)帶來(lái)的實(shí)際影響，你認(rèn)為3D打印建筑革命何時(shí)到來(lái)?

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