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上海建工左自波:3D打印為建筑業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了新契機

上海建工左自波:3D打印為建筑業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了新契機

2023年10月30日

打印來源:上海建工

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3D打印


導讀:近日,第十七屆土木、結(jié)構(gòu)和環(huán)境工程計算國際會議(Civil-Comp 2023)在匈牙利召開。上海建工集團工程研究總院數(shù)字化建造研究室主任左自波,受邀在會上作題為《大尺度3D打印建筑(Large-scale 3D printing of buildings)》的演講,從戰(zhàn)略意義、打印工藝、打印材料、打印裝備等方面分享了建筑3D打印關(guān)鍵技術(shù),并以國內(nèi)首個現(xiàn)場3D打印可居住可交付兩層建筑為案例介紹了3D打印自動化建造工程應用技術(shù)。


左自波,1986年8月生,上海交通大學船建學院巖土工程碩士、根特大學工程與建筑學院土木工程在讀博士研究生,2013年4月參加工作。現(xiàn)任上海建工集團工程研究總院數(shù)字化建造研究室主任,上海市科技專家?guī)鞂<遥虾J性霾闹圃靺f(xié)會專家委員會專家委員,上海市建筑學會數(shù)字建筑分會委員,同濟大學校外導師,上海理工大學碩士生導師,國際電氣電子工程師學會IEEE會員,JOM等多個SCI期刊審稿人。主持或參與了上海建工3D打印科技試驗樓等30余項工程的建設或策劃。主持或參與完成國家級及上海市科研項目10余項。曾入選上海市科技啟明星計劃、飛翔計劃。


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CIVIL-COMP國際會議致力于推動土木建筑行業(yè)與計算機信息技術(shù)的深度融合,1983年首次召開,40年來已在倫敦、布拉格、愛丁堡、里斯本、馬德拉群島、維也納、那不勒斯、蒙彼利埃、加爾達湖濱、豐沙爾、雅典、羅馬、布達佩斯、魯汶、卡利亞里、哈尼亞、杜布羅夫尼克、阿雅克肖、巴倫西亞、拉斯帕爾馬斯等城市成功舉辦。


本次國際會議由歐洲最古老的大學之一匈牙利佩奇大學(創(chuàng)建于1367年)承辦,會議設置15個分會場,來自29個國家的近110個學者分享了報告。出席本次會議并發(fā)表演講的中國專家學者還有歐洲科學與藝術(shù)院院士、同濟大學袁勇教授,中國工程院院士、重慶大學楊永斌教授等。


以下是左自波演講的主要內(nèi)容:


大尺度3D打印建筑


根據(jù)國家工信部定義,3D打印(或增材制造)是以數(shù)字模型為基礎,將材料逐層堆積制造出實體物品的顛覆性技術(shù),將對傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線、工廠模式和產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)生重大的影響。3D打印在建筑業(yè)的應用將引發(fā)行業(yè)發(fā)展理念和模式發(fā)生重大而深刻的變革。


上海建工集團總工程師陳曉明說“在智能建造探索之路上,大尺寸3D打印建造是上海建工優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)方向”。


01

當前建筑業(yè)的形勢和發(fā)展趨勢


建筑業(yè)依然是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè),在國家建設中發(fā)揮了極其重要作用。但是,隨著我國人口、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和城鎮(zhèn)化的發(fā)展,建筑業(yè)的發(fā)展速度不得不由高速發(fā)展回歸于理性、趨于平穩(wěn)良性發(fā)展,建筑業(yè)發(fā)展模式不得不由傳統(tǒng)粗放模式轉(zhuǎn)向高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展。


為加快推動建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級、促進建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展,2020年7月,國家住建部等13個部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導意見》,2022年10月,住建部選定24個城市開展智能建造試點,把智能建造的需求推向了新的高度。


02

發(fā)展3D打印的戰(zhàn)略意義


3D打印作為智能建造的重要方向之一,是促進建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級、實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的一種重要手段,是追求舒適工作環(huán)境的必然選擇。3D打印的出現(xiàn),為建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了新的契機。


發(fā)展3D打印是擁抱新一代信息化技術(shù)、順應國際潮流提升我國建筑業(yè)國際競爭力的必然之舉。近年來國內(nèi)外發(fā)布了《德國工業(yè)4.0計劃》《中國制造2025》《先進制造業(yè)美國領導力戰(zhàn)略》等綱領性文件都把3D打印技術(shù)作為本國優(yōu)先發(fā)展的國家戰(zhàn)略,美國、中國將一些3D打印列為限制性出口技術(shù)。


在經(jīng)濟新常態(tài)下建筑業(yè)亟需快速調(diào)整戰(zhàn)略規(guī)劃、尋找新的核心技術(shù)作為行業(yè)發(fā)展的新增長點,3D打印等新興技術(shù)有望引領建筑業(yè)全面轉(zhuǎn)型升級的前沿賽道,市場巨大。3D打印還能夠改變工程建造的產(chǎn)業(yè)鏈,與其他產(chǎn)業(yè)融通發(fā)展空間廣闊。


03

我們?yōu)槭裁催x擇3D打印


建筑3D打印是從1:1模型到裝備、可以無人干預的自動加工建筑產(chǎn)品的顛覆性技術(shù)。


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3D打印原理


當前階段無論是3D打印還是機器人,建筑行業(yè)人力成本遠遠低于機器的綜合成本,當未來人力成本高于機器的綜合成本,行業(yè)將沒有選擇、不得不使用這些自動化技術(shù)。


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人力成本高于機器的綜合成本時不得不選擇3D打印等


2014年,3D打印一些核心專利到期,自此之后引起各行各業(yè)更加廣泛關(guān)注,得到了快速發(fā)展;作為自動化、信息化程度相對不高的建筑行業(yè),更需要擁抱這一類技術(shù)。


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3D打印受到各行各業(yè)高度關(guān)注


04

建筑3D打印關(guān)鍵技術(shù)


3D打印工藝


目前常用的建筑3D打印工藝包括材料擠出、粘合劑噴射、直接能量沉積和熔融沉積(FDM)。材料擠出是指通過3D打印設備的噴嘴選擇性地擠出材料;粘合劑噴射是指通過3D打印設備選擇性地噴射液體粘合劑和粘結(jié)粉末材料;直接能量沉積是指通過3D打印設備聚集熱能熔化材料后逐層沉積;熔融沉積是指通過3D打印設備噴頭加熱熔化材料后擠壓堆積凝固成型。


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建筑3D打印常用工藝


材料擠出在建筑3D打印工藝應用中占比最高,其次是熔融沉積,最后是粘合劑噴射和直接能量沉積。


3D打印材料


材料擠出所使用的材料有混凝土、泡沫、復合粘土、輕質(zhì)石材、玄武巖及生物塑料等;熔融沉積所使用的材料為熱塑塑料、樹脂和工程塑料等聚合物;粘合劑噴射所使用的材料為砂或石等及膠合劑;直接能量沉積所使用的材料為不銹鋼。


建筑3D打印材料主要使用混凝土和聚合物,其次是金屬和砂及粘合劑。


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建筑3D打印常用材料


3D打印裝備


建筑3D打印裝備根據(jù)結(jié)構(gòu)類型劃分,常用的類型包括機械臂、龍門式、桁架式和塔式4類。龍門式更適合室內(nèi)打印,機械臂和桁架式適用于現(xiàn)場或室內(nèi)打印,塔式更適合現(xiàn)場打印。


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建筑3D打印常用裝備


05

建筑3D打印發(fā)展的技術(shù)路線


建筑3D打印發(fā)展的技術(shù)路線可概括3個階段:


第1階段,將3D打印應用于打印模板及節(jié)點和異形非承重結(jié)構(gòu)。例如,通過打印復雜鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點模具進行鑄造,得到鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點,也可直接打印鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點;通過打印異形結(jié)構(gòu)模板進行澆筑,實現(xiàn)異形結(jié)構(gòu)建造。也可將3D打印直接應用于裝飾結(jié)構(gòu)和景觀結(jié)構(gòu)等異形非承重結(jié)構(gòu)的建造。


第2階段,將3D打印應用于打印輕質(zhì)承重結(jié)構(gòu)。豎向功能構(gòu)件和水平輕質(zhì)構(gòu)件,構(gòu)件打印完成后進行現(xiàn)場裝配,完成建(構(gòu))筑物的建造。豎向功能構(gòu)件包括輕質(zhì)墻體、保溫隔熱墻體和異形輕質(zhì)柱等;水平輕質(zhì)構(gòu)件包括輕質(zhì)拓撲優(yōu)化梁、輕質(zhì)板等,水平結(jié)構(gòu)打印通常采用打印構(gòu)件加組裝或預應力張拉的方式,金屬打印采用一次打印的方式。


第3階段,將3D打印直接用于異形房屋、異形建(構(gòu))筑物的現(xiàn)場或整體打印。依次用于低層、多層、高層和超高層3D打印的建(構(gòu))筑物,隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展,3D打印將從異形個性化建(構(gòu))筑物的打印建造向通用建(構(gòu))筑物的打印建造發(fā)展。


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建筑3D打印發(fā)展技術(shù)路線


06

上海建工對建筑3D打印技術(shù)的

研究與工程實踐


多年來,上海建工集團以及旗下工程研究總院、建材科技集團、機施集團、五建集團、園林集團等依托多項國家級重大科研項目課題,致力于高分子材料及高性能混凝土材料3D打印工藝、裝備和材料等方面的深入研究和工程實踐。


在科研項目方面,主持完成了國家重點研發(fā)計劃項目“建筑工程現(xiàn)場工業(yè)化建造集成平臺與裝備關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)(課題6為3D打印)”“面向建筑行業(yè)典型應用的機器人關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)(課題3為3D打印)”“城鎮(zhèn)建筑垃圾智能精細分選與升級利用技術(shù)(課題3涉及3D打印)”和上海市科研項目“建筑工程現(xiàn)場3D打印建造關(guān)鍵技術(shù)研究”等研發(fā),多項成果達到國際先進水平。


在3D打印裝備方面,研發(fā)出超大型高分子材料3D打印裝備(25米×4米×2.5米)和大型混凝土3D打印移動平臺(6米×2.4米×2.6米)。


在3D打印工藝方面,創(chuàng)新研發(fā)了適合建筑工程現(xiàn)場3D打印建造的工藝;首創(chuàng)研發(fā)了框架+磚混+疊合板3D打印建筑結(jié)構(gòu)及工藝,解決自由化設計和交付使用難題;研發(fā)了超大尺度3D打印成型成套工藝。


在3D打印材料方面,研發(fā)了高分子材料制備及自動化輸送技術(shù),研發(fā)出高性能混凝土3D打印材料及輸送技術(shù)。


在3D打印重大工程方面,牽頭完成了中國首座高分子3D打印橋普陀橋(15m)、泉州3D打印橋(17.5m)、世界上最長3D打印橋成都橋(3D打印部分長21.58m)、中國首個現(xiàn)場3D打印可交付二層建筑等工程的建造。


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中國首個現(xiàn)場3D打印可交付二層建筑


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世界上最長的3D打印橋位于成都驛馬河公園內(nèi)


07

3D打印在建筑工程的

應用效果和優(yōu)勢


設計靈活創(chuàng)意增加:幾何自由,復雜結(jié)構(gòu)的3D可視化、個性按需定制;


機械化自動化程度高、安全高效:最大限度地改善作業(yè)環(huán)境,大幅度降低勞動強度,減少高風險、高強度現(xiàn)場作業(yè)人員50%以上;


材料效率高:無模板(節(jié)約材料30%),實體可優(yōu)化為空心結(jié)構(gòu)(節(jié)約材料50%);


智能化運維:3D設計模型可直接用于運維,打印嵌入傳感,可實現(xiàn)智能化運營維護;


綠色環(huán)保:無污染,減少碳排放。


上海建工將繼續(xù)積極探索新型設計和施工方式,為智能建造和精益建造提供新的范式,促進建筑業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展。


(責任編輯:何雯麗)



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