3D打印技術(shù)在建筑工程中的裝飾性建筑部品應(yīng)用研究

來源：CCPA科技工作部 程倩

主要完成單位：中鐵四局集團(tuán)有限公司、安徽數(shù)智建造研究院有限公司、安徽中鐵工程材料科技有限公司
主要完成人：于健、黃海、劉道學(xué)、彭建偉、耿天寶

項(xiàng)目概況
3D打印即快速成型技術(shù)的一種，它是以計(jì)算機(jī)模型文件為基礎(chǔ)，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將粉末狀金屬、陶瓷或塑料等可粘合材料，通過電腦控制把“打印材料”通過逐層堆積黏結(jié)的方式來制造物體的技術(shù)。而3D打印混凝土技術(shù)是在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的應(yīng)用于混凝土施工的新技術(shù)，3D打印混凝土技術(shù)在打印過程中，無需傳統(tǒng)混凝土成型過程中的支模過程，是一種最新的混凝土無模成型技術(shù)，同時3D打印機(jī)械在計(jì)算機(jī)軟件的控制下，使用具有高度可控制擠壓性的水泥基漿體材料，可以快速打印梁板柱等構(gòu)件、精確定位面板和孔洞，可實(shí)現(xiàn)超復(fù)雜大尺寸建筑構(gòu)件的三維快速制設(shè)計(jì)制作。

3D打印混凝土技術(shù)與傳統(tǒng)制造工藝相比，采用3D打印這一創(chuàng)新的制造工藝為水泥基材料中的應(yīng)用帶來諸多優(yōu)勢：（1）突破傳統(tǒng)建筑技術(shù)的限制，設(shè)計(jì)打印結(jié)構(gòu)更獨(dú)特的建筑；（2）可以極大提高制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)時的速率，并降低難度；（3）可以設(shè)計(jì)特殊的功能結(jié)構(gòu)以滿足聲學(xué)、熱學(xué)等方面的要求；（4）更加綠色環(huán)保，可降低物耗、能耗，減少建筑業(yè)對環(huán)境、噪聲污染；（5）不需要使用模板，縮短工期，節(jié)約人工，節(jié)約成本。由于以上優(yōu)勢，3D打印混凝土技術(shù)將成為混凝土發(fā)展歷程上一次重大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，顯示出廣闊的前景。

本研究課題計(jì)劃根據(jù)依托項(xiàng)目的通用和專用裝飾性建筑部品的力學(xué)、耐久性能和外觀尺寸造型等要求，針對性地對打印材料、打印設(shè)備及控制系統(tǒng)展開深入研究，對裝飾性建筑部品的3D打印電子模型設(shè)計(jì)和三維轉(zhuǎn)化方案、打印原材料的改進(jìn)和性能評價測試、機(jī)械設(shè)備和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造等三個關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，最終利用3D打印建造技術(shù)建造出滿足要求的裝飾性建筑部品。在依托項(xiàng)目上成功應(yīng)用，形成了3D打印裝飾性建筑部品的產(chǎn)業(yè)化，該項(xiàng)研究成果總結(jié)出來的方法原理可為后期利用3D打印建造技術(shù)建造傳統(tǒng)建筑物的研究提供借鑒與參考，從而推動3D打印建造技術(shù)在建筑行業(yè)領(lǐng)域的推廣。

主要創(chuàng)新點(diǎn)
（1）揭示3D打印混凝土微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑速率機(jī)理，深入分析觸變劑、CSH凝膠、砂灰比、凹凸棒石等核心要素，為3D打印混凝土可打印性的調(diào)控建立理論基礎(chǔ)。

（2）基于性能設(shè)計(jì)，研制了一種3D打印建造專用水泥基復(fù)合材料，具備以下特性：高微結(jié)構(gòu)構(gòu)筑速率、微結(jié)構(gòu)構(gòu)筑速率與打印間隔時間匹配性好、可工作時間可控（30-75min）、高觸變性、可泵送、擠出性好、無開裂、尺寸穩(wěn)定性好。

（3）開發(fā)了一種評價3D打印混凝土建造性（承載力及形變量）的裝置：通過在3D打印混凝土試樣上部加載，讀取壓力傳感平臺的加載數(shù)值和位移刻度盤的數(shù)值，得到所測3D打印混凝土的承載力與厚度、寬度的形變量。

（4）研制出3D混凝土打印機(jī)及連續(xù)供料成套裝備，具備連續(xù)供料、攪拌、泵送和打印功能，包括有攪拌螺旋擠出機(jī)、連續(xù)式制漿機(jī)、螺旋泵送機(jī)和自動化控制系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)3D打印建筑構(gòu)件效率較低的技術(shù)難題；

（5）形成裝飾性部品3D打印“鋼混協(xié)同”工藝工法，融合3D打印混凝土的成型方式和鋼筋體系制作施工工藝。

應(yīng)用效果

△3D打印景觀小品效果圖

△3D打印景觀小品實(shí)景圖

△3D打印景觀涼亭效果圖

△3D打印景觀涼亭實(shí)景圖

△3D打印景觀小橋效果圖

△3D打印景觀小橋?qū)嵕皥D

課題同步開展了產(chǎn)業(yè)化研究，已經(jīng)承接并完成了余杭塘河流域水環(huán)境綜合治理PPP項(xiàng)目經(jīng)理部生活區(qū)3D打印建造景觀工程，南京瓜埠鎮(zhèn)豐原路橋欄桿修繕工程，南京江北新區(qū)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研創(chuàng)園籃球場配套工程、設(shè)備用房、公交站臺工程，南京南部新城3D打印景觀工程、巢湖佰和佰楽兒童樂園景觀工程等項(xiàng)目，初步形成了一套“規(guī)劃-設(shè)計(jì)-生產(chǎn)-施工的3D打印建造產(chǎn)業(yè)鏈”，產(chǎn)生了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

企業(yè)介紹

中鐵四局集團(tuán)有限公司，是世界500強(qiáng)企業(yè)——中國中鐵股份有限公司的“標(biāo)桿”成員單位。擁有1個博士后科研工作站，2個國家級技術(shù)中心，11個省級企業(yè)技術(shù)中心，5個省級工程(技術(shù))研究中心，榮獲國家科技進(jìn)步獎12項(xiàng)、國家級工法24項(xiàng)、國家授權(quán)專利1611項(xiàng)。先后被評為“全國文明單位”“國家知識產(chǎn)權(quán)示范企業(yè)”“全國重合同守信用企業(yè)”“全國工程建設(shè)質(zhì)量管理優(yōu)秀企業(yè)”“全國建筑科技進(jìn)步與技術(shù)創(chuàng)新先進(jìn)單位”“中國品牌文化影響力十大最具價值品牌”“中國企業(yè)形象管理典范單位” “全國模范勞動關(guān)系和諧企業(yè)”“全國質(zhì)量誠信標(biāo)桿企業(yè)”“全國建筑業(yè)AAA級信用企業(yè)”等榮譽(yù)。局從2019年開始開展各類3D打印設(shè)備及材料研發(fā)，通過設(shè)立專項(xiàng)研發(fā)費(fèi)用用于支持各子分公司積極開展此類攻關(guān)課題，截止目前共開展并完成此類課題十余項(xiàng)，研發(fā)費(fèi)用支出約530萬元。

安徽數(shù)智建造研究院有限公司，是中鐵四局集團(tuán)全資子公司，是集產(chǎn)學(xué)研為一體的國家高新技術(shù)企業(yè)。公司獲國家鐵路局重大科技創(chuàng)新成果1項(xiàng)，安徽省科學(xué)技術(shù)三等獎1項(xiàng)，中國中鐵科學(xué)技術(shù)一等獎2項(xiàng)、二等獎2項(xiàng)，中國交通運(yùn)輸協(xié)會科學(xué)技術(shù)三等獎1項(xiàng)，中國混凝土與水泥協(xié)會科學(xué)技術(shù)三等獎1項(xiàng)，7項(xiàng)成果獲評建筑行業(yè)信息化典型案例，6項(xiàng)科技成果被股份公司認(rèn)定為國際領(lǐng)先和國際先進(jìn)水平。申請知識產(chǎn)權(quán)200余項(xiàng)，已獲授權(quán)181項(xiàng)，其中發(fā)明專利12項(xiàng)。公司于2019年開始進(jìn)行“3D打印技術(shù)在建筑工程中的裝飾性建筑部品應(yīng)用研究”，針對性地對打印材料、打印設(shè)備及控制系統(tǒng)展開深入研究，對裝飾性建筑部品的打印原材料的改進(jìn)和性能評價測試、機(jī)械設(shè)備和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造、現(xiàn)場配套施工工藝等三個關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，形成3D打印裝飾性建筑部品的產(chǎn)業(yè)化，研究成果總結(jié)出來的方法原理可為后期利用3D打印建造技術(shù)建造傳統(tǒng)建筑物的研究提供借鑒與參考，從而推動3D打印建造技術(shù)在整個建筑行業(yè)領(lǐng)域的推廣。

安徽中鐵工程材料科技有限公司，是一家集建筑工程材料研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)為一體的國家高新技術(shù)企業(yè)。公司自2006年成立以來，連續(xù)六年蟬聯(lián)中國混凝土外加劑行業(yè)前五強(qiáng)。公司對3D打印材料、打印設(shè)備及控制系統(tǒng)展開深入研究，從原材料的改進(jìn)和性能評價、機(jī)械設(shè)備和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造、現(xiàn)場配套施工工藝等三個關(guān)鍵技術(shù)入手，申請了“一種3D打印混凝土專用觸變劑”、“一種建筑3D打印機(jī)連續(xù)供料系統(tǒng)”等1項(xiàng)美國發(fā)明專利、5項(xiàng)發(fā)明專利和3項(xiàng)實(shí)用新型專利，技術(shù)成果榮獲第一屆全國混凝土3D打印創(chuàng)新大賽材料工程應(yīng)用創(chuàng)新類一等獎等獎項(xiàng)，形成3D打印裝飾性建筑部品的產(chǎn)業(yè)化，在余杭塘河流域水環(huán)境綜合治理PPP項(xiàng)目部景觀工程、江北新區(qū)研創(chuàng)園等項(xiàng)目成功應(yīng)用，推動3D打印建造技術(shù)在整個建筑行業(yè)領(lǐng)域的推廣。