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全新3D打印建筑引領(lǐng)未來(lái) 一條生產(chǎn)線年處理50萬(wàn)-60萬(wàn)噸建筑垃圾

2024年03月27日

水泥、粉煤灰、硅灰、外加劑、鋼纖維……六七種不同原料依序加入水泥攪拌機(jī)，通過(guò)泵管相連，一旁的3D打印機(jī)頭以這種新型混凝土為“油墨”，一圈圈將其按照規(guī)定路線“擠出”。不到兩小時(shí)，一個(gè)免模板數(shù)字化成型、曲面線條靈動(dòng)自然的3D打印非機(jī)動(dòng)車車棚就呈現(xiàn)在記者眼前。幾天后，這些非機(jī)動(dòng)車車棚將“走出”南京綠色增材智造研究院的生產(chǎn)車間，被放置于南京江北新區(qū)研創(chuàng)園作為試點(diǎn)，后續(xù)會(huì)向全市居民小區(qū)、辦公樓宇等推廣。

“懂材料的”與“懂設(shè)備的”攜手

“這款新型車棚所使用的材料是我們的新研究成果——超高性能混凝土（UHPC），這種材料抗彎強(qiáng)度高，具有很強(qiáng)的防火、抗爆和抗沖擊能力，非常適合用作非機(jī)動(dòng)車停放及充電車棚。”作為南京綠色增材智造研究院的主要技術(shù)支持，東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張亞梅教授團(tuán)隊(duì)今天首次嘗試將這種超高性能材料用于大尺度構(gòu)件3D打印。看著原料一袋一袋地被添加進(jìn)攪拌機(jī)，張亞梅告訴記者，其中不少材料都來(lái)自工業(yè)副產(chǎn)品。“粉煤灰是電廠出來(lái)的，硅灰是從硅鐵合金廠出來(lái)的。因?yàn)椴牧咸厥猓耘浔扔葹橹匾榱吮ＷC成品性能，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室已經(jīng)進(jìn)行過(guò)多次試配和性能測(cè)試。”這些原本會(huì)被丟掉的工業(yè)廢棄物到了她這里成了“寶貝”，是研發(fā)這種新型混凝土的關(guān)鍵。

實(shí)際上，這并不是團(tuán)隊(duì)第一次挑戰(zhàn)“不可能”。國(guó)內(nèi)首個(gè)3D打印綠色裝配式智慧建筑、國(guó)內(nèi)首例原位3D打印可交付二層單體建筑……在張亞梅看來(lái)，將固廢綠色再利用技術(shù)和3D打印技術(shù)相結(jié)合其本身就是建筑領(lǐng)域的一次變革，而他們無(wú)疑走在了行業(yè)的最前沿。

隨著人口老齡化的加劇，勞動(dòng)力緊缺逐漸成為建筑行業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的依賴模具的建造模式往往會(huì)造成極大的資源浪費(fèi)。過(guò)去想要造一幢房子，施工現(xiàn)場(chǎng)首先要把模板立起來(lái)，再把鋼筋籠放進(jìn)去，等混凝土澆筑好并硬化后再將模板拆除，這整個(gè)流程都大量依賴人工，勞動(dòng)效率低。

此外，一個(gè)構(gòu)件中模板的成本約占建造總成本的15%~20%。而當(dāng)建筑的造型不規(guī)則時(shí)，模板只能一次性使用，這無(wú)疑是一個(gè)巨大的浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年建筑垃圾產(chǎn)生量近35億噸，占城市垃圾總量的30%~40%，但回收利用率卻很低。

能否在對(duì)傳統(tǒng)建造模式轉(zhuǎn)型升級(jí)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)建筑垃圾資源化利用？“我們剛做3D打印項(xiàng)目應(yīng)用的時(shí)候，全球范圍內(nèi)示范項(xiàng)目非常少，盡管國(guó)內(nèi)也有團(tuán)隊(duì)在做，但在應(yīng)用方面仍有不少局限。”搞設(shè)備的不懂材料，搞材料的缺少設(shè)備。張亞梅認(rèn)為，傳統(tǒng)建筑建造想要向3D智能建造轉(zhuǎn)型一定要確保從材料研發(fā)到打印設(shè)備再到應(yīng)用端，全產(chǎn)業(yè)鏈的問(wèn)題都要解決。抱著這樣的想法，2018年，張亞梅團(tuán)隊(duì)與南京嘉翼精密機(jī)器制造股份有限公司團(tuán)隊(duì)一拍即合。兩支團(tuán)隊(duì)攜手江北新區(qū)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研創(chuàng)園管委會(huì)組建南京綠色增材智造研究院，共同攻克固廢綠色再利用技術(shù)與建筑3D打印技術(shù)融合的難關(guān)。

“對(duì)我們而言，制造一臺(tái)3D打印的機(jī)器并不算難，難的是材料。第一臺(tái)機(jī)器建好后，我們足足等了8個(gè)月才等到合適的打印原料。”南京嘉翼董事長(zhǎng)李進(jìn)坦言，3D打印建筑對(duì)材料要求特別高，混凝土硬化的時(shí)間尤為講究。如果材料一“擠”出來(lái)就“灘”了下來(lái)，或者還沒打完第二圈，第一圈就已經(jīng)硬化了，這些都不行。在產(chǎn)學(xué)研合作之前，工廠曾嘗試自制打印材料，然而均以失敗告終。“直到張教授團(tuán)隊(duì)新材料的加入，我們的機(jī)器才真正有了用武之地。”

要可持續(xù)，也要高性能、低成本

走上研究院三樓，材料研發(fā)實(shí)驗(yàn)室里，張亞梅向記者展示了十多種3D打印原材料。再生粗骨料、再生磚粉、再生砂、尾礦砂……盡管看上去與普通3D打印材料無(wú)異，但想要讓這些再生材料真正用于3D打印，對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)是不小的挑戰(zhàn)。

實(shí)驗(yàn)室里，張亞梅指導(dǎo)博后、博士生們反復(fù)測(cè)試，不斷改良用于3D打印的混凝土配方。“土地、道路開挖后的表層土及瀝青混凝土塊、舊建筑物拆房后的磚頭及舊混凝土、廢金屬、廢塑料、裝潢廢棄物等都屬于建筑廢棄物，因其來(lái)源復(fù)雜，性能不穩(wěn)定，在進(jìn)行資源再利用時(shí)必須滿足使用性能要求，合理科學(xué)地使用。”張亞梅以粗骨料為例，將這種材料加入混凝土中，不僅可以減少水泥用量，還可以減少硬化混凝土的收縮變形等，但再生粗骨料的再利用，必須考慮其長(zhǎng)期性能，添加需要掌握好尺度。“針對(duì)不同項(xiàng)目的需求，我們會(huì)將不同固廢揚(yáng)長(zhǎng)避短復(fù)合使用，合理調(diào)整配比，真正讓材料為建筑物服務(wù)。這也是我們材料研發(fā)與后端應(yīng)用緊密結(jié)合的優(yōu)勢(shì)。”

2023年，南京市六合區(qū)雄州街道靈巖社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心新矗立起一座二層小樓，紅藍(lán)兩色、波浪曲線型的外觀格外搶眼。這座建筑面積52.8平方米，建筑高度6米的項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)首個(gè)真正意義上可居住、已經(jīng)交付使用的原位3D打印二層建筑。“通常來(lái)說(shuō)，這種二層建筑會(huì)選用質(zhì)地較為細(xì)膩的砂漿進(jìn)行打印，但很多結(jié)構(gòu)專家對(duì)此并不那么認(rèn)可。我們希望能夠加一些粗骨料，一方面增強(qiáng)建筑本身剛度，有效控制收縮開裂等問(wèn)題，另一方面減少水泥用量，減少碳排放，同時(shí)降低建造成本。但因?yàn)轫?xiàng)目難度大，不可控因素多，此前國(guó)際上也幾乎沒有團(tuán)隊(duì)做過(guò)類似的項(xiàng)目”，張亞梅說(shuō)。

“不同于以往在工廠打印好構(gòu)件后現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配式安裝，我們這個(gè)項(xiàng)目需要現(xiàn)場(chǎng)原位進(jìn)行3D打印，這也就意味著所有的突發(fā)情況只能在現(xiàn)場(chǎng)解決。”李進(jìn)回憶，盡管在實(shí)驗(yàn)室小范圍的試驗(yàn)很成功，但當(dāng)打印過(guò)程“搬”到了現(xiàn)場(chǎng)，盛夏的暴雨、高溫惡劣天氣之下，加了粗骨料的打印材料現(xiàn)場(chǎng)泵送難度倍增。泵管爆了，現(xiàn)場(chǎng)將新的換上；材料因?yàn)楦邷剡€沒擠出就凝固了，就地調(diào)整原料配比。“盡管很難，但遇到的問(wèn)題很快被解決。對(duì)我們而言這是一個(gè)全新的嘗試，這也是十三五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的一個(gè)示范工程。”

隨著3D打印機(jī)按照指令穩(wěn)穩(wěn)打印完建筑結(jié)構(gòu)的最后一圈，團(tuán)隊(duì)的所有人都長(zhǎng)吁一口氣，現(xiàn)代房屋建造的智能化轉(zhuǎn)型又往前邁了一步。

產(chǎn)業(yè)要“走出去”更要“落下來(lái)”

2023年3月，中國(guó)工業(yè)品展會(huì)在阿聯(lián)酋首都阿布扎比開幕。團(tuán)隊(duì)帶著3D打印機(jī)器與產(chǎn)品在中阿（聯(lián)酋）產(chǎn)能合作示范園集中展示。李進(jìn)告訴記者，江蘇3D打印建筑產(chǎn)業(yè)首次“出海”，便受到眾多國(guó)外企業(yè)的關(guān)注，迪拜投資發(fā)展局官員更是連續(xù)兩天來(lái)到展區(qū)進(jìn)行深度溝通。據(jù)悉，迪拜政府2018年推出“3D打印戰(zhàn)略”，計(jì)劃到2030年時(shí)有25%的新建筑由3D打印而成。“但在建筑垃圾處理上，他們還沒有更好的辦法。將建筑固廢回收處理后用于3D打印建筑材料，這恰恰是我們團(tuán)隊(duì)的擅長(zhǎng)。”

2023年9月，團(tuán)隊(duì)正式簽約進(jìn)駐中阿（聯(lián)酋）產(chǎn)能合作示范園，從首次接觸到落地，僅用時(shí)半年。“我們是首個(gè)進(jìn)入園區(qū)的南京企業(yè)，將在后期園區(qū)建設(shè)中盡力做到‘應(yīng)打盡打’。”李進(jìn)表示，一條生產(chǎn)線投用后，預(yù)估年處理建筑垃圾能力可達(dá)50萬(wàn)—60萬(wàn)噸，年利潤(rùn)可達(dá)到5000萬(wàn)元左右。李進(jìn)說(shuō)：“這僅僅是開始，相信未來(lái)還會(huì)有更多江蘇造的綠色低碳3D打印建筑出現(xiàn)在迪拜街頭。”

3D打印設(shè)備及材料的迭代創(chuàng)新，使得建筑產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了深度轉(zhuǎn)型升級(jí)時(shí)期，智能建造也正源源不斷激發(fā)新質(zhì)生產(chǎn)力。相較傳統(tǒng)澆筑建造，3D打印建筑的碳排放降低約39%，是建筑全生命周期實(shí)現(xiàn)碳中和的重要一環(huán)。“發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力不是忽視、放棄傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，相反，3D打印建造使得人類建造技術(shù)的生產(chǎn)效率和新材料的使用效能呈大幅度提高。城市固廢再利用技術(shù)則讓智能建造更低碳綠色，解決了當(dāng)下城市建設(shè)進(jìn)程中出現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)難題。”李進(jìn)說(shuō)。

截至目前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)施百余個(gè)3D打印項(xiàng)目，共擁有相關(guān)核心專利技術(shù)121件（其中發(fā)明30多件），13條生產(chǎn)線分布在國(guó)內(nèi)9個(gè)省及阿聯(lián)酋、加拿大、新加坡等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。2022年，南京綠色增材智造研究院作為建筑設(shè)施整體制造的裝備制造商和服務(wù)提供商入選工信部公布的首批增材制造典型應(yīng)用場(chǎng)景名單，這也是建筑領(lǐng)域唯一入選單位。

產(chǎn)業(yè)要“走出去”更要“落下來(lái)”。“在這過(guò)程中，所有技術(shù)都要相當(dāng)成熟才能做大規(guī)模推廣應(yīng)用。眼下還沒到這個(gè)階段，所以我們希望在一個(gè)個(gè)示范項(xiàng)目中，不斷發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題并解決問(wèn)題，通過(guò)一系列標(biāo)準(zhǔn)的制定，加快推進(jìn)智能建造技術(shù)的推廣應(yīng)用。”張亞梅說(shuō)。

（責(zé)任編輯：何雯麗）