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3D打印建筑革命已越來(lái)越近?

3D打印建筑
2019
03/25
13:35
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評(píng)論
來(lái)源:蜂鳥(niǎo)發(fā)現(xiàn)3D打印

我們都知道,,3D打印實(shí)際上是利用光固化和紙層疊等方式實(shí)現(xiàn)快速成型的技術(shù),。它與普通打印機(jī)工作原理基本相同,,打印機(jī)內(nèi)裝有粉末狀金屬或塑料等可黏合材料,,與電腦連接后,,通過(guò)一層又一層的多層打印方式,,最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物,。

而3D打印建筑技術(shù)促進(jìn)工程建設(shè)行業(yè)與制造行業(yè)融合。如果3D打印建筑技術(shù)能夠普及,,預(yù)計(jì)打印機(jī)器的造價(jià)大約在10-15萬(wàn)美元,,一般的小型建筑公司完全能夠負(fù)擔(dān)得起。只要有計(jì)算機(jī)和3D打印機(jī),,即便是在沒(méi)有建造團(tuán)隊(duì)的地方都能大批量生產(chǎn)房子,。這種新型的生產(chǎn)方式是“社會(huì)化制造”,如得到廣泛的運(yùn)用,,那么人人都可能成為“建造者”,。

與傳統(tǒng)建筑建造方式相比, 3D打印技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì):


(1) 結(jié)構(gòu)整體成形,,建筑整體性,、安全性和耐久性大幅增強(qiáng)。
(2) 根據(jù)使用者的實(shí)際需求量身定制,。
(3) 高精度且適用于復(fù)雜形體的建造,。
(4) 不需要模板,大量節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)人員,。
(5) 適應(yīng)惡劣環(huán)境的無(wú)人,、少人建造。
(6) 建造速度快,。
(7) 局部增材處理,。

3D打印建筑的兩種可能的解決方案
1.建筑工程模塊新材料的打印:即3D打印用于建造復(fù)雜結(jié)構(gòu),即建筑模塊(Buildingblocks)而非整座建筑,。對(duì)于模塊建筑體系而言,,3D 打印技術(shù)可以應(yīng)用于獨(dú)立單元的生產(chǎn),并可在工廠(chǎng)內(nèi)對(duì)模塊內(nèi)部進(jìn)行裝修布置,,隨后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)吊裝將模塊連接為可靠的建筑整體,。


2.直接用3D打印機(jī)進(jìn)行施工(AEC)模擬打印出整棟建筑:具體打印過(guò)程如下:先在待建房屋的空地上安裝大型“打印”設(shè)備,該過(guò)程大概僅需要兩三名工人幾個(gè)小時(shí)時(shí)間,。該設(shè)備外觀(guān)類(lèi)似兩邊有滑軌的巨大行車(chē),,根據(jù)房屋三維設(shè)計(jì)圖紙,穩(wěn)定,、均勻擠壓混凝土,,一層一層疊加“打印”與此同時(shí)機(jī)械手還能進(jìn)行其他建筑材料的安裝,甚至可以做像鋪設(shè)瓷磚這樣的精細(xì)活,。

目前,,3D打印房屋已遍地開(kāi)花。歐洲建造了多個(gè)3D打印建筑物,,美國(guó)出現(xiàn)了3D打印的小房子,。前段時(shí)間,迪拜也宣稱(chēng)它計(jì)劃在不久的將來(lái)有相當(dāng)比例的家庭使用3D打印房屋,,并且已經(jīng)通過(guò)辦公大樓和實(shí)驗(yàn)室的3D打印證明了其功能,。我國(guó)北京、杭州,、東莞,、青海等地也相繼加入了建造3D打印房屋的行列。

以下就是利用上述某個(gè)優(yōu)勢(shì)而進(jìn)行建筑3D打印研究的有益嘗試:

橋梁結(jié)構(gòu)3D打印與裝配式
由清華大學(xué)(建筑學(xué)院)——中南置地?cái)?shù)字建筑研究中心徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā),、并與上海智慧灣投資管理有限公司共同建造的世界最大規(guī)模3D打印混凝土橋,,于2019年1月12日在蕰川路智慧灣科創(chuàng)園落成。該橋外形參仿趙州橋,,全長(zhǎng)26.3米,,拱長(zhǎng)14.4米,寬3.6米,,橫跨園區(qū)景觀(guān)魚(yú)池,。采用橋梁部件3D打印混凝土技術(shù)打印+裝配式技術(shù)拼裝的方式實(shí)現(xiàn)。

3D打印混凝土橋


建筑結(jié)構(gòu)3D打印
創(chuàng)業(yè)公司ICON研制3D打印機(jī)器,,可以在48小時(shí)內(nèi)打印出32平米的住宅,,打印部分重量約為900kg,打印價(jià)格約為1萬(wàn)美元,,符合美國(guó)德克薩斯州的住房標(biāo)準(zhǔn),。打印材料為小骨料混凝土,,通過(guò)逐層打印(澆筑)方式實(shí)現(xiàn),。

3D打印混凝土單層房屋
蘇州盈創(chuàng)公司打印建筑
盈創(chuàng)新材料(蘇州)公司于2014年1月,在蘇州工業(yè)園區(qū)使用3D打印構(gòu)件+裝配式組裝的方式建造一棟面積1100平方米的別墅和一棟6層居民樓,。

盈創(chuàng)新材料(蘇州)公司3D打印別墅
整個(gè)生產(chǎn)流程如下:


盈創(chuàng)3D打印產(chǎn)品的工作流程
盈創(chuàng)公司針對(duì)3D打印建筑物存在的技術(shù)難題采用了相應(yīng)的解決方案:

(1) 打印構(gòu)件以水泥與玻璃纖維作為原材料,、打印類(lèi)似GRC的構(gòu)件,較好解決了別墅和多層的表層結(jié)構(gòu)材料問(wèn)題,。與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比,,采用水泥替代混凝土、玻璃纖維替代鋼筋,。后續(xù)尚需進(jìn)一步解決水泥玻璃纖維構(gòu)件的受力試驗(yàn)及承載能力極限狀態(tài)計(jì)算公式推演,,玻璃纖維在水泥中的錨固搭接構(gòu)造,構(gòu)件的質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題,。

以水泥為原材料打印構(gòu)件
(2) 3D打印機(jī)采用龍門(mén)架結(jié)構(gòu)形式,,把傳統(tǒng)混凝土澆筑方式簡(jiǎn)易轉(zhuǎn)換為3D打印方式;通過(guò)自動(dòng)定位系統(tǒng),,準(zhǔn)確定位鋼筋網(wǎng)片和其他裝飾構(gòu)件的擺放位置,,減少人工干預(yù)、降低誤差,。


3D打印構(gòu)件

(3) 通過(guò)裝配式技術(shù)解決打印構(gòu)件尺寸有限的問(wèn)題,,其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是利用“雙皮墻”原理整體解決外飾面、埋設(shè)管線(xiàn)和結(jié)構(gòu)連接受力的問(wèn)題,。


雙皮墻
盈創(chuàng)公司較好地解決了低層或多層建筑物的3D打印技術(shù)難題,,形成了成套的實(shí)際解決方案。后期可在打印構(gòu)件表觀(guān)質(zhì)量的改良,、圍護(hù)墻與保溫隔熱裝飾一體化的實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)一步提升,。

基于上述案例的研究及分析,總結(jié)3D打印建筑面臨的難題:

1.研發(fā)具有較高抗拉強(qiáng)度,、較強(qiáng)抗裂能力和塑性的復(fù)合材料,,可以通過(guò)在混凝土基材中加入纖維材料和細(xì)骨料的方法來(lái)提高其抗拉強(qiáng)度和各項(xiàng)性能指標(biāo)。

2.采用兩種打印材料,,一種為受壓材料,,一種為受拉材料,打印時(shí)設(shè)置雙打印頭,,在構(gòu)件的受拉部位打印受拉材料,,受壓部位打印受壓材料。兩種打印材料之間必須具有良好的黏結(jié)性能,,才能有效形成一個(gè)整體工作,。

3.采用受拉性能良好的模板,將受壓材料打印在模板中。模板可以起到3個(gè)作用:一是支撐作用,;二是作為受拉材料,,起到類(lèi)似于鋼筋的作用;三是可以解決打印材料表面粗糙的問(wèn)題,。模板材料可以采用鋼板或者受拉性能良好且有一定剛度的纖維材料,。

4.打印機(jī)械的研制,打印機(jī)械是實(shí)現(xiàn)3D打印建造技術(shù)的重要工具,。打印機(jī)械的移動(dòng)范圍直接影響到可打印建筑的尺寸,,打印噴頭的性能直接影響到打印精度和打印效果。


綜上所述,,目前民用建筑建造全部采用3D打印技術(shù)極其不現(xiàn)實(shí),,只能?chē)L試在發(fā)揮3D打印優(yōu)勢(shì)的局部部位應(yīng)用。

雖然3D打印有望改變現(xiàn)有的建筑結(jié)構(gòu)及其風(fēng)格,,但因其普及速度一直較慢,,并沒(méi)有成為當(dāng)前的主流建造技術(shù)。采用3D打印建筑物的探索之路仍然漫長(zhǎng),,需要直面并克服在材料發(fā)展,、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)監(jiān)管控,、打印質(zhì)量和綜合價(jià)格等多方面存在的困難和問(wèn)題,。新技術(shù)的發(fā)展總是令人振奮,而短暫熱潮之后,,我們終須理性看待這項(xiàng)技術(shù)為建筑業(yè)帶來(lái)的實(shí)際影響,,你認(rèn)為3D打印建筑革命何時(shí)到來(lái)?

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