大咖揭秘：3D打印建筑技術(shù)及材料大科普

2019年05月21日

近年來(lái)，住宅工業(yè)化在國(guó)家政策的扶持下快速發(fā)展，一批批工業(yè)化住宅拔地而起，住宅工業(yè)化步入了發(fā)展的快車(chē)道，特別是信息技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)著住宅工業(yè)化向自動(dòng)化、集成化、智能化發(fā)展。3D打印混凝土建筑的出現(xiàn)，充分展現(xiàn)了未來(lái)住宅工業(yè)化發(fā)展的美好前景，建筑產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化制造并不是空中樓閣，上海的一家建筑公司用3D打印機(jī)建造了兩座建筑，一座是位于上海的1100平方米別墅，而另一座是位于蘇州的6層住宅樓，而后者也是目前世界上最高的3D打印建筑。

3D打印技術(shù)是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，其不受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)限制的特性決定了它在許多行業(yè)中都有足夠的用武之地。從另一個(gè)角度理解，3D打印也只是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，是一種工具。它本身作為產(chǎn)品的價(jià)值并不高，需要在行業(yè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)價(jià)值，是一個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)和用戶需求逐漸契合的過(guò)程。對(duì)于3D打印混凝土建筑來(lái)說(shuō)，成本、原材料和結(jié)構(gòu)安全是其未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。

3D打印混凝土結(jié)構(gòu)分析

目前3D打印混凝土建筑，是將整個(gè)建筑進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，用3D打印機(jī)將建筑工業(yè)化模塊打印出來(lái)，最后運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝，因此其生產(chǎn)施工流程和PC構(gòu)件工業(yè)化住宅基本相同。而不同之處在于，在這些3D打印的墻、板等模塊里面，并沒(méi)有鋼筋，而是利用水泥和玻璃纖維結(jié)合提高整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)用無(wú)筋混凝土結(jié)構(gòu)建造6層住宅。

目前國(guó)內(nèi)住宅工業(yè)化PC結(jié)構(gòu)體系分為兩類(lèi)，一類(lèi)是全裝配式結(jié)構(gòu)，一類(lèi)是部分現(xiàn)澆部分裝配式結(jié)構(gòu)。如萬(wàn)科研發(fā)裝配整體式住宅結(jié)構(gòu)體系，實(shí)際上是從日本引進(jìn)過(guò)來(lái)，它的梁、柱、剪力墻都是現(xiàn)澆，作為承重結(jié)構(gòu);樓板為預(yù)制樓板加現(xiàn)澆疊合層半預(yù)制;只有外墻、樓梯、陽(yáng)臺(tái)為全預(yù)制構(gòu)件。遠(yuǎn)大住工的第五代集成住宅也與此類(lèi)似。因而從國(guó)內(nèi)目前的情況看，大部分都采用半預(yù)制結(jié)構(gòu)體系，只有遠(yuǎn)大的可持續(xù)建筑，采用全裝配式的鋼結(jié)構(gòu)建筑，全部是螺栓連接，一天可搭6層。各種新型裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系也在不斷地出現(xiàn)。

3D打印混凝土建筑，作為住宅工業(yè)化最前沿最頂端的技術(shù)，就是要突破半預(yù)制結(jié)構(gòu)體系，采用全裝配結(jié)構(gòu)，甚至全過(guò)程3D打印，才能夠?qū)崿F(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)由傳統(tǒng)施工完全蛻變?yōu)橹圃鞓I(yè)的過(guò)程。除了基礎(chǔ)部分，未來(lái)甚至包括基礎(chǔ)全部采用3D打印，實(shí)現(xiàn)真正的智能化制造，并運(yùn)用虛擬裝配技術(shù)。虛擬裝配是采用計(jì)算機(jī)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過(guò)仿真模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真裝配，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工藝規(guī)劃、加工制造和現(xiàn)場(chǎng)裝配的最優(yōu)化方案。

對(duì)于3D打印的建筑模塊來(lái)說(shuō)，采用無(wú)筋的結(jié)構(gòu)一方面是為了便于打印，另一方面也是為了實(shí)現(xiàn)3D打印混凝土模塊輕、薄、強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用更多品種的混凝土打印出不同功能、結(jié)構(gòu)的建筑模塊。因而3D打印混凝土的原材料來(lái)源更廣泛、品種更繁多，其凝結(jié)硬化和強(qiáng)度產(chǎn)生的機(jī)理也會(huì)突破傳統(tǒng)混凝土的理論范疇，耐久性、安全性也有待研究論證。

隨著技術(shù)不斷發(fā)展，未來(lái)甚至將出現(xiàn)巨型3D打印機(jī)，在現(xiàn)場(chǎng)打印出整棟建筑，類(lèi)似雙龍門(mén)吊樣式的3D打印機(jī)主體結(jié)構(gòu)，打印機(jī)可像塔吊一樣升降，在最上面布置若干可變位置的桁條，每根桁條上設(shè)置一只打印頭，根據(jù)面積大小布置十?dāng)?shù)只到數(shù)十只打印頭。建筑豎向結(jié)構(gòu)可直接一層層往上打印，模塊化的結(jié)構(gòu)鋼筋在現(xiàn)場(chǎng)用吊車(chē)吊到上面進(jìn)行焊接組裝，打印頭可采用類(lèi)似古代夯土墻的工具一樣夾著鋼筋網(wǎng)一層一層往上堆疊混凝土。一旦這種巨型打印機(jī)出現(xiàn)，將會(huì)為整個(gè)商品混凝土行業(yè)帶來(lái)巨大的改變，同時(shí)對(duì)于中小型的商品混凝土企業(yè)來(lái)說(shuō)，也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，這種用于3D打印的混凝土技術(shù)更加復(fù)雜、質(zhì)量要求更高。

3D打印混凝土的原材料探析

據(jù)公開(kāi)資料披露，上海3D打印混凝土建筑采用的是玻璃纖維增強(qiáng)混凝土，其特點(diǎn)是抗拉、抗彎和抗裂強(qiáng)度比普通混凝土高，韌性和抗沖擊性能也比普通混凝土有所提高，因而廣泛應(yīng)用于建筑外墻板、天花板、隔墻板等非承重構(gòu)件，比如上海世博會(huì)法國(guó)館外表的白色混凝土網(wǎng)格，就是采用的玻璃纖維混凝土。

從現(xiàn)有的3D打印混凝土技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，未來(lái)普通混凝土在3D打印建筑原材料中所占的比例將會(huì)大幅下降，纖維混凝土、泡沫混凝土、輕骨料混凝土、水泥—樹(shù)脂基混凝土、聚合物混凝土、水玻璃混凝土等種類(lèi)的混凝土將會(huì)得到更大規(guī)模應(yīng)用，甚至可能出現(xiàn)新型材料混凝土。

3D打印混凝土與傳統(tǒng)混凝土有所不同，由于3D打印沒(méi)有模板，它不但要滿足快速成型的要求，即從打印噴頭出來(lái)后快速凝結(jié)而向周?chē)魈?又要滿足層層混凝土之間的緊密連接，而不至于產(chǎn)生冷縫，3D打印混凝土構(gòu)件或建筑才是渾然一體的;此外還要滿足混凝土在管道內(nèi)和噴頭內(nèi)自由流動(dòng)而不堵塞管道和噴頭。這三點(diǎn)便要求3D打印混凝土與傳統(tǒng)混凝土有所不同，其原材料和質(zhì)量要求也不一樣。

從膠凝材料來(lái)看，3D打印混凝土所使用的膠凝材料非常廣泛，是廣義上的混凝土，不是普通水泥混凝土。除了水泥，樹(shù)指、水玻璃、石膏、地聚合物等都可以作為3D打印混凝土的膠凝材料，其中地聚合物因?yàn)榭煊苍鐝?qiáng)的特點(diǎn)，是比較適合3D打印混凝土使用的。

骨料，是混凝土中占比最大的材料，3D打印混凝土對(duì)骨料的要求比傳統(tǒng)混凝土更高。強(qiáng)度高、密度小、顆粒形貌接近球型的骨料是最適合3D打印混凝土使用的，同時(shí)3D打印混凝土建筑是由一層一層的混凝土堆疊而成，每一層混凝土都比較薄，加上3D打印機(jī)噴頭的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而要求混凝土中的骨料粒徑比傳統(tǒng)混凝土更小，骨料最大粒徑應(yīng)在10mm以下。顆粒級(jí)配、含泥量、有害物質(zhì)含量等指標(biāo)要求更加嚴(yán)格。這些都是由3D打印混凝土的特殊性所決定。

外加劑，在混凝土組成材料中占比最小，但是卻顯著改善了混凝土的性能，3D打印混凝土要求工作性能更高，在管道內(nèi)具有優(yōu)異的流動(dòng)性，同時(shí)從噴頭出來(lái)后又能在空氣中快速凝結(jié)，因而必然要求外加劑具有多種功能，必須是一種復(fù)合型的超塑化劑。另外，3D打印混凝土所使用的材料復(fù)雜多樣，更要求其外加劑具有良好的適應(yīng)性，形成3D打印專(zhuān)用。

住宅工業(yè)化和信息技術(shù)的發(fā)展，使得新的建筑形式應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生，這就是3D打印建筑。3D打印建筑一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，很好地繼承了制造業(yè)流水線生產(chǎn)和智能化制造的思路，徹底打破了建筑施工不能采用工業(yè)化生產(chǎn)的制約，為建筑工業(yè)化發(fā)展提供了無(wú)限的可能。實(shí)現(xiàn)3D打印混凝土建筑是住宅工業(yè)化發(fā)展的必然趨勢(shì)，是適應(yīng)現(xiàn)代建筑技術(shù)發(fā)展的必要需求，同時(shí)也是提高整個(gè)建筑行業(yè)技術(shù)水平和技術(shù)創(chuàng)新的重要途徑。

3D打印混凝土技術(shù)的發(fā)展，對(duì)商品混凝土行業(yè)既是一次機(jī)遇，也是前所未有的挑戰(zhàn)。只有堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新，緊跟建筑技術(shù)發(fā)展潮流，才能在未來(lái)的商品混凝土市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中贏得先機(jī)，獲得持續(xù)健康的發(fā)展。

（責(zé)任編輯：何雯麗）

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