【最強(qiáng)干貨】解析3D打印建筑技術(shù)和干混砂漿行業(yè)

通過(guò)近30年的3D打印發(fā)展, 使得許多傳統(tǒng)加工工藝不能夠或耗費(fèi)巨大的實(shí)物設(shè)計(jì)能夠有效制造出來(lái), 特別是許多創(chuàng)新的仿生(bionic)設(shè)計(jì)可以通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)精密制造. 以無(wú)機(jī)膠凝材為主的建筑材料如混凝土干混砂漿等最初是和水混合為可塑性狀態(tài), 然后通過(guò)水合反應(yīng)硬化, 形成不同的堅(jiān)固耐用建筑實(shí)體. 這種材料自身的特性(從微觀到宏觀結(jié)晶生長(zhǎng))使得它們成為理想的增材制造材料(3D打印材料), 也就是說(shuō), 不像塑料, 金屬等3D打印, 就目前技術(shù)水準(zhǔn)可以達(dá)到80-90%傳統(tǒng)制造(壓力注模和冶金粉末燒結(jié))的力學(xué)性能;

3D打印的建筑材料本身的強(qiáng)度不會(huì)因?yàn)榇蛴∵^(guò)程受影響, 所以, 在大尺度的建筑領(lǐng)域出現(xiàn)了眾多打印作品不為奇怪, 這是人類的自然進(jìn)化. 但是, 3D打印覆蓋領(lǐng)域?qū)拸V, 從納米級(jí)打印到幾百米的摩天大廈打印, 需要結(jié)合行業(yè)要求和對(duì)3D打印技術(shù)自身的理解進(jìn)行實(shí)踐.
根據(jù)行業(yè)特性首先是對(duì)這個(gè)打印技術(shù)體系包括工藝, 材料, 設(shè)備, 建筑設(shè)計(jì), 檢驗(yàn)等進(jìn)行全面的比較分析和總結(jié), 形成一個(gè)可以實(shí)際運(yùn)作的規(guī)范要求和標(biāo)準(zhǔn). 同時(shí), 確定3D打印建筑的未來(lái)研發(fā)領(lǐng)域和方向, 特別是在增材打印材料方面, 作為國(guó)內(nèi)新起之秀的”干混砂漿”在未來(lái)市場(chǎng)的發(fā)展之道上將接受嚴(yán)峻考驗(yàn)和挑戰(zhàn), 如何做到真正意義上的節(jié)能環(huán)保, 穩(wěn)定的高質(zhì)量的綠色建筑,。

3D打印建筑將促使干混砂漿體系內(nèi)在的概念進(jìn)化, 并將越來(lái)越多會(huì)起到”硬功夫”的作用. 3D打印建筑技術(shù)的出現(xiàn)，是目前建筑技術(shù)的補(bǔ)充,，它給材料, 建筑設(shè)計(jì), 城市規(guī)劃等帶來(lái)創(chuàng)新機(jī)遇, 讓人們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)能夠突破常規(guī),，解放思想,，實(shí)現(xiàn)建筑, 藝術(shù), 功能和環(huán)境的大融合,。

為便于統(tǒng)一概念和理解3D打印建筑, 本文就廣義的增材制造和減材制造技術(shù)作一簡(jiǎn)單介紹. 通過(guò)目前3D打印建筑的實(shí)際應(yīng)用分析其特點(diǎn), 工藝, 材料以及打印裝備技術(shù)來(lái)闡述其在整個(gè)建筑系統(tǒng)工程中的應(yīng)用. 并結(jié)合近幾年德國(guó)杰斯公司(JCI)和亨維(H+V)公司聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目”微觀構(gòu)造材料和裝備技術(shù)(micro-structuring materials and processing technology)”部分成果, 分析干混砂漿材料將面臨選擇和預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì).

1.總述
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,，技術(shù)的創(chuàng)新，3D打印技術(shù)逐漸深入到汽車工業(yè), 機(jī)械制造, 生物醫(yī)療,、食品,、教育、建筑設(shè)計(jì), 航天航空等很多工業(yè)領(lǐng)域,。在建筑建設(shè)這個(gè)古老領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)3D打印的實(shí)際應(yīng)用案例,。未來(lái)的外星球移居建筑解決方案可能是3D打印技術(shù), 并且是就地取材. 國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)發(fā)展逐步從工業(yè)級(jí)應(yīng)用到民用級(jí)上，正逐漸步入商業(yè)化,。業(yè)界預(yù)測(cè)到2035年大型的集中的汽車制造業(yè)將結(jié)束, 取而代之的是分散的3D打印裝配中心. 科技部將3D打印技術(shù)納入國(guó)家計(jì)劃,，政府決策層開(kāi)始從戰(zhàn)略高度重視這項(xiàng)技術(shù).   

3D打印技術(shù)使得許多傳統(tǒng)加工工藝不能夠或耗費(fèi)巨大的實(shí)物設(shè)計(jì)能夠有效制造出來(lái), 特別是許多創(chuàng)新的仿生(bionic)設(shè)計(jì)可以通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)精密制造. 以無(wú)機(jī)膠凝材為主的建筑材料如混凝土干混砂漿等最初是和水混合為可塑性狀態(tài), 然后通過(guò)水合反應(yīng)硬化, 形成不同的堅(jiān)固耐用建筑實(shí)體. 這種材料自身的特性(從微觀到宏觀結(jié)晶生長(zhǎng))使得它們成為理想的增材制造材料(3D打印材料), 也就是說(shuō), 不像塑料, 金屬等3D打印, 就目前技術(shù)水準(zhǔn)可以達(dá)到80-90%傳統(tǒng)制造(壓力注模和冶金粉末燒結(jié))的力學(xué)性能;


3D打印的建筑材料本身的強(qiáng)度不會(huì)因?yàn)榇蛴∵^(guò)程受影響. 所以, 在大尺度的建筑領(lǐng)域出現(xiàn)了眾多打印作品不為奇怪, 這是人類的自然進(jìn)化(Evolution). 但是, 3D打印覆蓋領(lǐng)域?qū)拸V從納米級(jí)打印到幾百米的摩天大廈打印, 如果像打印汽車零部件那樣打印, 恐怕一年365天每天24小時(shí)打印一幢10x10x6米的小樓則需要100多年時(shí)間.     

所以, 我們需要結(jié)合建筑行業(yè)的要求, 并基于目前3D打印技術(shù)狀況理性的進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐. 根據(jù)行業(yè)特性首先是對(duì)這個(gè)打印技術(shù)體系包括工藝, 材料, 設(shè)備, 建筑設(shè)計(jì), 檢驗(yàn)等進(jìn)行全面的比較分析和總結(jié), 形成一個(gè)可以實(shí)際運(yùn)作的規(guī)范要求和標(biāo)準(zhǔn), 協(xié)同發(fā)展. 同時(shí), 確定3D打印建筑的未來(lái)研發(fā)領(lǐng)域和方向, 特別是在增材打印材料方面, 作為國(guó)內(nèi)新起之秀的”干混砂漿”在未來(lái)市場(chǎng)的發(fā)展之道上將接受嚴(yán)峻考驗(yàn)和挑戰(zhàn), 如何做到真正意義上的節(jié)能環(huán)保, 穩(wěn)定的高質(zhì)量的綠色建筑。3D打印建筑將促使干混砂漿體系內(nèi)在的概念進(jìn)化, 并將越來(lái)越多會(huì)起到”硬功夫”的作用.   

3D打印建筑技術(shù)的出現(xiàn),，給材料, 建筑設(shè)計(jì), 城市規(guī)劃等帶來(lái)創(chuàng)新機(jī)遇, 讓人們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)能夠突破常規(guī),，解放思想，實(shí)現(xiàn)建筑, 藝術(shù), 功能和環(huán)境的大融合,。同時(shí), 迅速發(fā)展的3D打印業(yè)將會(huì)導(dǎo)致建設(shè)成本降低,，這意味著“不久的將來(lái)”整體現(xiàn)場(chǎng)打印的給類建筑包括個(gè)性化房屋將在經(jīng)濟(jì)方面具有很大競(jìng)爭(zhēng)力.  

2. 什么是3D打印建筑技術(shù)  
3D打印的概念是上個(gè)世紀(jì)80年代。美國(guó)的一個(gè)模具工程師發(fā)明的, 概念的雛形是像噴墨打印機(jī)那樣, 根據(jù)物體的圖像(三維模型數(shù)據(jù))分層打印出來(lái), 這里的墨水是實(shí)際物體設(shè)計(jì)材料(如金屬, 塑料等等), 也即是說(shuō), 一層一層以材料疊加的方式制成實(shí)物,。到90年代初期美國(guó)麻省理工學(xué)院的科研專家發(fā)明了一種以粉末為基礎(chǔ)的, 名為三維打印的技術(shù); 同時(shí), 陸續(xù)研發(fā)出如立體光固成型(SLA )、選擇性激光燒結(jié)(SLS)和熔絲沉積造型(FDM)等工藝技術(shù), 90年年代末期3D打印機(jī)器開(kāi)始工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用,。 2000年之后,，3D打印機(jī)器迅速發(fā)展,，特別是在機(jī)械制造業(yè)快速成型對(duì)于自由曲面形狀得到實(shí)際應(yīng)用.  

a) 3D打印的基礎(chǔ)工藝知識(shí)  
傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)中我們通常將加工分為兩種方式: 模具成型和切削加工, 現(xiàn)在采用減材制造和增材制造(AM=additive manufacturing和SM=subtractive manufacturing)的術(shù)語(yǔ). 廣義上理解, 注模或壓膜制造應(yīng)該屬于增材加工. 下圖顯示兩種思路的關(guān)系: 增材工藝    減材工藝   

從本質(zhì)上講,，增材制造和數(shù)控機(jī)床CNC或其它計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)技術(shù)并沒(méi)有什么不同,。數(shù)控機(jī)床CNC是根據(jù)程序，利用切削工具將整塊原材料“減小”為零部件的過(guò)程,，而增材制造則是將構(gòu)造整塊原材料的微小單元(粉末或顆粒)通過(guò)融化, 燒結(jié)或粘接一層一層地累積疊加“增加”,。它和傳統(tǒng)的減材制造互補(bǔ)可以打造出任意形狀.   

在建筑中實(shí)際上人們一直在采用增材制造工藝和減材建筑工藝, 增材工藝就是注模成型(壓膜成型和漿體布料成型以及擠出成型通常在工廠中制作水泥預(yù)制件采用, 俗稱PC); 減材建筑傳統(tǒng)的有窯洞建筑, 過(guò)程中有隧道, 地鐵等建設(shè). 至于到人工3D打印雛形概念, 比如藝術(shù)墻體粉刷. 目前使用的3D打印工藝還是借鑒傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)的主流工藝技術(shù)路線. 所以, 下面將對(duì)建筑3D打印有相關(guān)影響的增材制造工藝做一介紹, 便于我們對(duì)整個(gè)3D打印建筑的理解.   下圖3是增材制造機(jī)械制造業(yè)成熟的激光燒結(jié)(SLM=Selective Laser Melting)工藝, 因?yàn)樗鼈兪菍?duì)于增材建筑有重要影響的工藝.     

除此之外, 塑料增材制造的融化沉淀成型(FDM=Fused Deposit Modeling)也是常規(guī)采用的方式. 可以直接用于增材建筑.    增材制造目前是傳統(tǒng)減材制造技術(shù)的理想補(bǔ)充, 德國(guó)機(jī)床制造商在現(xiàn)有CAM加工中心基礎(chǔ)上研發(fā)的混合制造工藝能夠有機(jī)將兩者結(jié)合起來(lái), 可以大幅度提高效率如圖所示:

b) 成本和精度比較  成本趨勢(shì)

成本趨勢(shì):   原理上講, 模型越復(fù)雜, 特別是有內(nèi)部空腔的異性結(jié)構(gòu), 3D打印和傳統(tǒng)減材制造比較越有效,圖X表示兩種制造工藝成本上的趨勢(shì).    另外, 材料價(jià)格和用途也是決定選擇加工工藝的關(guān)鍵, 比如歐洲航天局(ESA)制作的水閥用鈦金屬材料. 增材制造比減材制造減少40%的質(zhì)量。

   

表面質(zhì)量:   在表面精度上我們可以通過(guò)以下實(shí)際制作物體圖片感性認(rèn)識(shí):金屬3D打印表面質(zhì)量

和普通打印機(jī)一樣, 精度和分辨率成正比, 分辨率越高, 精度(清晰度)越高, 打印的時(shí)間越長(zhǎng), 成本越高. 所以, 3D建筑打印考慮成本速度, 分辨率可能在毫米以上至幾十厘米內(nèi). 可以是毛坯房, 精致表面還需要另外裝飾加工.

c) 3D打印特點(diǎn):  
如成本曲線所示, 3D打印技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于打印復(fù)雜結(jié)構(gòu), 特別是內(nèi)部多封閉空腔的結(jié)構(gòu), 而傳統(tǒng)工藝很難或不可能實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu). 因?yàn)?D打印是以材料構(gòu)成的微小顆粒構(gòu)造物體. 它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),，通過(guò)電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(CAD)完成一系列數(shù)字切片,，并將這些切片的信息傳送到3D打印機(jī)上，運(yùn)用一些金屬粉末, 塑料等可燒結(jié), 高溫溶解材料,，逐層加工迭加成形,，即通過(guò)逐層增加材料來(lái)生成3D實(shí)體。

它的優(yōu)勢(shì)在于產(chǎn)品多樣化,，制造復(fù)雜物品不增加成本,，無(wú)須組裝，設(shè)計(jì)空間無(wú)限,，零技能制造,，減少?gòu)U棄副產(chǎn)品，材料無(wú)限組合,，精確的實(shí)體復(fù)制,。   因?yàn)?D打印是物質(zhì)重新構(gòu)造過(guò)程, 無(wú)論采用粘結(jié)沉積材料成型技術(shù), 砂石骨料可以就地取材, 讓人們用可以負(fù)擔(dān)的起的方式建造房子; 或輪廓構(gòu)筑工藝, 改性土壤等, 都可以讓貧瘠的荒漠變成宜居的綠洲。   

涉及成本優(yōu)勢(shì)需要比較結(jié)構(gòu), 對(duì)于一維或簡(jiǎn)單的二維結(jié)構(gòu), 傳統(tǒng)的注模和壓模以及擠出成型好. 一維的結(jié)構(gòu)由正方形或長(zhǎng)方形板材和型材, 而且可以標(biāo)準(zhǔn)化(如杰斯公司柔性面磚的成型技術(shù)). 二維結(jié)構(gòu)可以是其它曲線形狀的板材(如杰斯公司的人造石材的顏色紋理發(fā)生器). 三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)件像瓦片通常采用壓模成型, 由于是大規(guī)�,；�生產(chǎn), 所以模具費(fèi)用較小. 只要批量化生產(chǎn), 結(jié)構(gòu)可以通過(guò)傳統(tǒng)工藝達(dá)到如沒(méi)有封閉的空腔, 傳統(tǒng)增材工藝一定有優(yōu)勢(shì). 用3D打印一維構(gòu)件的預(yù)制件成本一定會(huì)高.

在輪廓構(gòu)筑打印工藝中的墻體實(shí)質(zhì)是一個(gè)一維結(jié)構(gòu), 現(xiàn)場(chǎng)整體打印有優(yōu)勢(shì)是因?yàn)榭梢悦馊ブ虚g輸送安裝以及建筑中人員的施工風(fēng)險(xiǎn), 因?yàn)槊磕杲ㄖ�過(guò)程中有許多人員傷亡事故.   從目前打印的房屋來(lái)看, 不論是成本, 質(zhì)量, 還是效率都不能夠和傳統(tǒng)建筑相比, 因?yàn)槿藗儼?D打印最不擅長(zhǎng)的一維結(jié)構(gòu)作為建筑模型. 只有我們后面提到的放射蟲館的結(jié)構(gòu)可以體系速度快, 節(jié)省材料, 質(zhì)量好, 成本低, 那是因?yàn)閭鹘y(tǒng)工藝時(shí)間更長(zhǎng)(模具制作時(shí)間長(zhǎng)), 效率更低(手工制作), 質(zhì)量更差(人工制作誤差大).  

d) 應(yīng)用領(lǐng)域  

3. 增材建筑的工藝, 裝備和材料技術(shù)  

a) 工藝技術(shù)線路  
機(jī)械化建筑有兩種主要方式: 一是采用傳統(tǒng)的建材, 通過(guò)機(jī)器手對(duì)磚塊進(jìn)行砌筑. 二是采用機(jī)器手進(jìn)行3D打印建筑. 機(jī)器手發(fā)展相對(duì)成熟. 一個(gè)4軸的機(jī)器手就可以進(jìn)行構(gòu)件的自由曲面打印. 對(duì)大型構(gòu)件可以將機(jī)器手安裝在塔吊上進(jìn)行施工(塔吊需要相應(yīng)改造).

另外的方式, 目前較為流行的是坐標(biāo)導(dǎo)軌形式的打印機(jī)(類似于龍門吊或行車), 相對(duì)機(jī)器手, 需要較大的占地面積. 對(duì)于別墅, 小高層建筑等專業(yè)打印機(jī)速度相對(duì)于機(jī)器手可以大幅度提高.   

接下來(lái)是打印工藝. 按照以前的敘述, 我們廣義地將理解建筑的3D打印方式, 因?yàn)楦邩墙ㄖ�的�?shù)量級(jí)是普通汽車體積的1000-100000倍數(shù). 按照狹義的3D打印是不可能實(shí)現(xiàn)的. 同時(shí)把一維的板材和型材成型方式歸入3D打印的一部分, 統(tǒng)稱3D打印. 比如在房屋整體現(xiàn)場(chǎng)打印中基礎(chǔ)部分各房間的地板可以采用一維布料方式一次成型.樓板等采用預(yù)制件型材吊裝. 打印過(guò)程中還可以吊裝門窗等, 如果設(shè)計(jì)為嵌入式. 這樣的3D打印建筑或更確切自動(dòng)機(jī)械化建筑成為可能.  

b) 3D打印建筑打印工藝  
建筑領(lǐng)域中的3D打印,目前典型的應(yīng)用工藝有兩種:

1) 輪廓構(gòu)筑(CC=Contour Crafter ) 由美國(guó)南加州大學(xué)教授博士Dr. Behrokh Khoshnevis  (University of Southern California)發(fā)明. 采用平行多噴嘴工藝. 這里的打印”紙和墨”是一體的.  

a) 平行多打印頭, 外輪廓側(cè)面帶抹刀

b) 單打印頭, 內(nèi)外側(cè)抹刀. 打印頭兩側(cè)抹刀設(shè)計(jì)可以改進(jìn).

圖13: CC工藝, 單打印頭, 兩側(cè)抹刀結(jié)構(gòu)  

c) 單打印頭, 無(wú)側(cè)抹刀. 依靠打印材料自身的可塑性和流動(dòng)性成型. 表面效果均勻.   

輪廓建筑是針對(duì)建筑物所有墻體輪廓設(shè)計(jì)的, 成型的輪廓就像模板, 內(nèi)部可以放置鋼筋再填充常規(guī)混凝土. 打印輪廓時(shí)也可以放置鋼筋加強(qiáng)或臨時(shí)支撐懸空部分打印. 總之, 打印中通過(guò)機(jī)器可以進(jìn)行異性和異質(zhì)部件的插入.   

  

2) 粘接沉淀成型(SDM =Sticky deposition modeling) (類似SLM或FDM), 開(kāi)發(fā)者為意大利人 Enrico Dini稱之為D-Shape技術(shù). 原理是按照CAD模型數(shù)據(jù)在每層砂石粉上的設(shè)計(jì)區(qū)域打印膠水, 反應(yīng)硬化后清除散砂石粉, 得到打印的物體. 這種工藝是狹義上的3D打印. 砂粉層是打印”紙”, 粘結(jié)劑是打印”墨水”. 但是對(duì)于大尺度的建筑這樣打印機(jī)是非常龐大, 砂石粉床的量也是巨大的. 在富有砂石粉的地方并具備有利地形可以實(shí)現(xiàn)大尺度建筑打印, 同時(shí), 還需要改進(jìn)成型物的支撐形式.

3) MIP工藝
MIP工藝是杰斯亨維公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)一種組合噴嘴(打印頭), 采用”就位混合”的MIP(mixing  in position)工藝, 它是一種多通道的混漿噴嘴. 3-4原材料可以是粉料, 骨料和液體, 在需要時(shí)計(jì)量混合擠出. 通過(guò)適當(dāng)?shù)目諝庵�撐系統(tǒng)可以做到真正的3D打印, 不需要料床. 其中一種形式見(jiàn)圖解:     

c) 3D打印建筑物表面效果  
打印質(zhì)量和材料特性, 打印機(jī)原理, 控制系統(tǒng)以及打印時(shí)間有關(guān), 下面的圖片只是提供一個(gè)感性認(rèn)識(shí), 因?yàn)闆](méi)有比較的基礎(chǔ)參數(shù).

d) 裝備技術(shù)  
目前的3D打印建筑設(shè)備技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展. 輪廓構(gòu)筑打印機(jī)器相對(duì)簡(jiǎn)單成熟, 成本也低一些, 打印材料是混凝土或干混砂漿, 打印材料通過(guò)一臺(tái)我們通常使用的混漿泵混漿和泵送至打印頭的噴嘴, 打印頭通過(guò)伺服傳動(dòng)進(jìn)行x軸的運(yùn)動(dòng)和上下垂直運(yùn)動(dòng)(z-軸), 打印頭的y-軸運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)支撐打印頭的龍門架, 放置在兩邊的導(dǎo)軌上, 通過(guò)電機(jī)使其在導(dǎo)軌上滾動(dòng)運(yùn)動(dòng). 龍門架采用桁架結(jié)構(gòu), 減低重量.

e) 材料要求:
現(xiàn)有的混凝土和干混砂漿是3D打印建筑的主要材料, 它們除滿足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)外, 還必須具備以下性能:
●可塑性  
●出噴嘴后速凝固快,   
●成型好, 能支撐自身重量和打印中的動(dòng)荷載
●下一層打印膠結(jié)不受影響
●自養(yǎng)護(hù)性   

目前可用的3D打印建筑材料主要是無(wú)機(jī)膠凝材基的材料如混凝土和干混砂漿, 玻璃纖維增強(qiáng)石膏,  玻璃纖維增強(qiáng)砂漿,、未來(lái)的鋼纖維加強(qiáng)超高性能混凝土(UHPC).   

3D打印建筑材料的研發(fā)方向是無(wú)機(jī)膠凝材, 特別是水泥的研究和制備越來(lái)越重要, 在超高性能混凝土中(抗壓強(qiáng)度>120 N/mm2 至 200 N/mm2), 水泥是最關(guān)鍵成分, 其次是纖維. 纖維加強(qiáng)技術(shù)包括鋼纖維將在3D打印建筑材料中起關(guān)鍵作用, 特別是在曲面房頂打印技術(shù)中, 除輔助支撐, 異物插入的可能性沒(méi)有, 打印材料必須具備普通鋼筋水泥的強(qiáng)度. 這里UHPC是用武之地.   

化學(xué)添加劑, 特別是可塑性, 速凝材料在改性打印材料中應(yīng)用.   另外, 就是所謂”建筑垃圾”. 就像當(dāng)年的粉煤灰, 人們不知道其用途時(shí)認(rèn)為才是垃圾. 建筑廢料和老房拆遷破碎的墻體樓板, 其主要成分還是我們現(xiàn)在建筑常用的砂, 石灰, 水化的水泥, 這些都可以加工后作為很好的骨料填料使用. 德國(guó)科學(xué)家將這些廢料研磨和和部分水泥混合后制成為普通硅酸鹽水泥.   

現(xiàn)在的綠色建筑, 城市再生礦山等理念, 人類已經(jīng)從事這方面的研究。地球表面上最多的是粉塵, 砂, 泥巴, 如何改性它們成為適合的建筑材料是綠色建筑的主要課題. 人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn), 將10%的含無(wú)機(jī)膠結(jié)材的混合改性物加入土壤混合后, 強(qiáng)度可以提高5-6倍. 土壤改性技術(shù)的發(fā)展將給建筑工藝方面的減材制造技術(shù)帶來(lái)生機(jī), 并且會(huì)越來(lái)越備受市場(chǎng)和城市規(guī)劃重視, 它可以和自然和諧一體.  

4. 目前3D打印在建筑領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r  
美國(guó)3D打印團(tuán)隊(duì)用輪廓構(gòu)筑(CC)工藝, 單打印頭機(jī)器打印的混凝土城堡, 非整體現(xiàn)場(chǎng)打印.部分預(yù)制打印再現(xiàn)場(chǎng)吊裝. 外觀均勻的打印痕跡清晰. 是目前較大的實(shí)物打印案例, 占地面積為15平方米.

5. 整體現(xiàn)場(chǎng)打印方案  
a) 工藝方案  
整體在現(xiàn)場(chǎng)打印房屋目前還沒(méi)有, 但是, 相對(duì)成熟的方案是南加州大學(xué)教授Behrokh Khoshnevis和卡特彼勒的聯(lián)合資助項(xiàng)目,，一個(gè)超大型3D打印機(jī)的研究項(xiàng)目,，設(shè)備為結(jié)構(gòu)龍門吊車形式，在導(dǎo)軌式移動(dòng). 橫梁可以上下擺動(dòng)前后移動(dòng),，模塊化設(shè)計(jì), 打印頭在橫梁上左右移動(dòng),，打印材料是干混砂漿混漿泵或打印用混凝土泵車。先將地板部分采用一維打印完成, 放置其它必要的輔件如大門的地板等. 然后一層一層打印至窗戶頂, 放置窗頂打印支撐繼續(xù)打印至樓板層/ 機(jī)械吊裝樓板預(yù)制件, 再繼續(xù)打印第二層, 這樣將整棟房子打印出來(lái). 這樣打印出的是不錯(cuò)的毛坯房,，還需要完善和裝修.

b) 打印裝備方案
在南加州大學(xué)教授Behrokh Khoshnevis 的Contour Crafter研究成果基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)師進(jìn)一步地?cái)U(kuò)大CC打印機(jī)的能力,，加強(qiáng)對(duì)于大型三維打印的需要，特別針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)整體建筑物的打印,。他們提供了一種全新的施工方法,，把工業(yè)化生產(chǎn)和快速原型設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)合在一起，可以在比傳統(tǒng)工藝短的多的時(shí)間機(jī)械化“打印”出這個(gè)房屋的毛坯.

c) 未來(lái)星球移居方案  
歐洲宇航局最近公布了一套月球基地3D打印建筑方案, 采用意大利人的D-shape工藝打印.該方案的核心思路是就地取材, 對(duì)月球表面土壤改性成可以打印的材料. 墻體打印成空心封閉的細(xì)胞結(jié)構(gòu). 人們發(fā)現(xiàn)類似月球土壤(Lunar regolith), 在地球上也有相似的土壤, 只是月壤中沒(méi)有有機(jī)物. 不遠(yuǎn)的將來(lái), 人們可能會(huì)以同樣的方式在地球上建筑這樣真正綠色建筑.

圖26: 未來(lái)月球移居計(jì)劃中的3D打印方案和打印機(jī)器人.

6. 哪些現(xiàn)狀形式適合于3D打印  
目前, 采用常規(guī)的混凝土或干混砂漿打印垂直墻體沒(méi)有問(wèn)題, 只是表面精度和變形還有待改進(jìn).  對(duì)曲面殼體3D打印建筑可以實(shí)現(xiàn)打印的有漸放和漸收的對(duì)稱曲面殼體:      

因?yàn)榛炷�土和砂漿不像金屬和塑料可以極快速固化達(dá)到最后強(qiáng)度, 它們需要水合反應(yīng)28天后達(dá)到基本強(qiáng)度, 后期強(qiáng)度還會(huì)變化. 所以, 如何使打印材料在足夠短的時(shí)間初凝固化能夠承載自重和打印動(dòng)荷載是打印材料的研究課題. 下面是最能體現(xiàn)3D打印強(qiáng)項(xiàng)的形狀:

7. 干混砂漿未來(lái)發(fā)展  
幾乎占據(jù)50%水泥用量的干混砂漿(砂漿)行業(yè), 在歐洲經(jīng)歷50多年的發(fā)展后逐步被國(guó)內(nèi)市場(chǎng)接受. 經(jīng)歷15年中國(guó)干混砂漿市場(chǎng)推廣, 到現(xiàn)在我們?cè)谌珖?guó)各大中型城市的工地都能看到干混砂漿散裝罐樹(shù)立. 干混砂漿的用量在迅速增加. 另一方面, 全球的技術(shù)發(fā)展迅猛, 3D打印現(xiàn)在已經(jīng)悄悄給建筑業(yè)鋪墊各種可能的機(jī)遇. 同時(shí)興起的混凝土預(yù)制廠房, 組裝房屋熱潮給傳統(tǒng)建筑工藝帶來(lái)改革推動(dòng).

細(xì)細(xì)品味混凝土和干混砂漿, 其實(shí)它們實(shí)質(zhì)是一樣的, 只是功能不同, 施工工藝不同. 在預(yù)制工廠它們可以是一起的. 隨著3D打印技術(shù)出現(xiàn), 干混砂漿作為復(fù)合材料其生產(chǎn)方式將同時(shí)向?yàn)榻ㄖ�結(jié)構(gòu)主體服務(wù)和輔助體服務(wù)的一體化道路.   所以未來(lái)3D打印材料將不會(huì)區(qū)分這么明顯. 但是, 將會(huì)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和打印工藝分類. 現(xiàn)將根據(jù)打印工藝對(duì)砂漿的要求列表如下(以打印別墅為例):  

如果按照SDM工藝, 干混砂漿工廠將只是生產(chǎn)”墨水”, 也就是類似我們10年前曾經(jīng)推廣的超級(jí)粘結(jié)劑(super binder). 砂石骨料是打印”紙”, 不需要干燥!  

以上分析明顯的結(jié)果是砌筑砂漿會(huì)完全多余, 抹灰砂漿也是按照需要使用, 自流平砂漿也逐步退出市場(chǎng)(不排除個(gè)性化需求的使用). 裝飾方面所謂的粉末涂料或干混砂漿膩?zhàn)訉��?huì)更多作為個(gè)性化美化使用; 除此之外, 它將用于不同墻體的裝飾板材的打印. 未來(lái)將出現(xiàn)更多的所謂改性材料, 完善打印表面的質(zhì)感以及功能性如強(qiáng)度, 耐磨性, 色彩等.國(guó)內(nèi)面臨的諸多問(wèn)題的建筑節(jié)能體系, 將有望通過(guò)3D打印技術(shù)而徹底改觀. 其中的保溫材料將有可能突破目前的工藝瓶頸. 通過(guò)仿生設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu), 打印和墻體一體的無(wú)機(jī)保溫材料, 避免了目前的施工周期長(zhǎng), 風(fēng)險(xiǎn)高, 脫落等諸多問(wèn)題.

這樣的發(fā)展使得目前的保溫粘接和加固砂漿可能面臨淘汰的危險(xiǎn). 因?yàn)榇蛴〉陌宀膶⒕邆浠ハ嗫劢釉O(shè)計(jì), 會(huì)更牢固和安全.   在未來(lái)的綠色生態(tài)城市規(guī)劃和建筑中, 即結(jié)合減材建筑技術(shù)將城市規(guī)劃和大自然的河山樹(shù)林融為一體, 大規(guī)模的劈山造路, 蓋實(shí)心混凝土大廣場(chǎng)將一去不復(fù)返. 就地取材, 就地形設(shè)計(jì), 增材和減材工藝相結(jié)合. 干混砂漿也將脫出目前普通砂漿的內(nèi)涵, 深入研究無(wú)機(jī)膠凝材用于就地取材的改性技術(shù), 高壓灌漿加固技術(shù), 開(kāi)發(fā)用于打印封閉細(xì)胞空腔結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)材料. 其它領(lǐng)域的復(fù)合和合成材料, 和有機(jī)物復(fù)合, 和金屬物復(fù)合材料等.  

8. 3D打印建筑發(fā)展方向  
通過(guò)以上的理解分析, 雖然3D打印建筑工藝對(duì)打印材料要求不同, 更多的則是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變革， 設(shè)計(jì)需要更多地和仿生學(xué)結(jié)合, 設(shè)計(jì)輕質(zhì)高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu), 來(lái)彌補(bǔ)3D打印建筑不便采用傳統(tǒng)建筑鋼筋帶來(lái)的強(qiáng)度損失. 未來(lái)的3D打印建筑發(fā)展方向?qū)⒎譃?nbsp;  - 建筑構(gòu)件打印然后拼裝和  - 整體建筑打印或  - 更多的是兩種互補(bǔ)工藝形式.     

因?yàn)檎�體打印摩天大廈是不現(xiàn)實(shí)的, 整體打印建筑在技術(shù)上可行的打印尺寸將會(huì)是:
●一些個(gè)性化別墅
●軍事用營(yíng)房, 軍事基礎(chǔ)設(shè)施
●經(jīng)濟(jì)適用小高層  
●高樓大廈局部藝術(shù)造型, 特殊功能的樓頂, 地下室等部分.     

此外, 現(xiàn)行的沙袋地球屋(Sand bag earth house)可以采用CC打印工藝整體完美實(shí)現(xiàn). 其原理是采用包裝好的沙袋碼疊成圓拱形, 構(gòu)筑非常自然的居住環(huán)境(見(jiàn)圖32). 國(guó)內(nèi)的新農(nóng)村建設(shè)可以以此為樣板.   目前最可能實(shí)現(xiàn)的是通過(guò)規(guī)劃和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改革的生態(tài)建筑, 3D打印建筑, 廣義的減材建筑和傳統(tǒng)預(yù)制件相互結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)不用移山填海, 砍伐樹(shù)林建造新型的生態(tài)城市

3D打印建筑是人類的思想進(jìn)化, 它只是眾多的建筑技術(shù)中的一種, 不可能是萬(wàn)能. 但是, 3D打印技術(shù)的出現(xiàn)卻給我們帶來(lái)思路上反省, 我們以前有哪些彎路走過(guò), 造成什么樣的后果. 每一個(gè)新技術(shù)的采納, 我們是否先要考慮這項(xiàng)技術(shù)給我們的未來(lái)帶來(lái)什么后果, 好的或壞的, 如何應(yīng)對(duì), 機(jī)遇和挑戰(zhàn). 這就是我們?cè)u(píng)估一項(xiàng)技術(shù)的邏輯方法.   

反思我們的建筑方式, 城市規(guī)劃是否還在繼續(xù)大量耗盡自然資源? 反思干混砂漿的發(fā)展, 河沙用完, 用機(jī)制砂, 標(biāo)榜為先, 礦山?jīng)]有了用什么? 我們是否考慮移山造房會(huì)給我們和下一代帶來(lái)什么樣的后果? 是否評(píng)估這項(xiàng)技術(shù)的后果, 如何應(yīng)對(duì)? 反思為什么不考慮中國(guó)的建筑工地和歐洲的小別墅建設(shè)的區(qū)別, 盲目一刀切. 一個(gè)幾十萬(wàn)平米的建筑工地, 其中用量大的砂漿(地坪,砌筑或抹灰等)是否可以采用超級(jí)粘結(jié)劑+骨料的機(jī)械化施工方式? 避免剛生產(chǎn)的, 還冒著熱氣的干混砂漿不一會(huì)兒到現(xiàn)場(chǎng)加水?dāng)嚢枋┕? 是節(jié)能還是浪費(fèi)?   干混砂漿體系將隨著由于新技術(shù), 資源短缺, 思想轉(zhuǎn)變促使整個(gè)建筑體系的變革而演變, 一切將回歸自然, 即使是在資源短缺時(shí), 人們也不想吃的有毒食品, 住不健康, 不安全的房屋.   

3D打印建筑技術(shù)通過(guò)先驅(qū)者們的嘗試證明, 所以的一切將從”硬功夫”開(kāi)始. 首先是基礎(chǔ)材料, 從基礎(chǔ)的膠凝材著手深入研究水泥和礦物相材料的機(jī)理, 化學(xué)添加劑以及相關(guān)裝備技術(shù)研發(fā); 現(xiàn)有的干混砂漿體系在打印材料方面將承擔(dān)更大的責(zé)任和挑戰(zhàn), 硬功夫的要求可能會(huì)使行業(yè)重新洗牌; 其次是建筑設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)需要更優(yōu)化的強(qiáng)度重量比,更優(yōu)的性價(jià)比, 就地取材的理念會(huì)得到進(jìn)一步實(shí)現(xiàn). 打印機(jī)器設(shè)備將和現(xiàn)有的施工機(jī)器結(jié)合, 包括機(jī)器手(人)等, 設(shè)計(jì)的模塊化組合, 更靈活建筑施工方式等等. 3D打印建筑裝備將不再閉門造車, 不再摸著石頭過(guò)河; 整合資源, 分工合作. 將是發(fā)展的最好機(jī)遇, 因?yàn)槿�球�?D打印處在起步階段, 大家在同一起跑線上. 最后非常重要的是整個(gè)建筑監(jiān)管體系包括規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),檢驗(yàn)和認(rèn)證.

編輯：南極熊
作者：蔡兵, 德國(guó)工學(xué)博士(Dr.-Ing. Bing Cai)  德國(guó)杰斯(揚(yáng)州)智能環(huán)�,？萍加邢薰���
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