3D打印技術(shù)在建筑工程中的裝飾性建筑部品應(yīng)用研究

來(lái)源：CCPA科技工作部 程倩

主要完成單位：中鐵四局集團(tuán)有限公司,、安徽數(shù)智建造研究院有限公司,、安徽中鐵工程材料科技有限公司
主要完成人：于健,、黃海、劉道學(xué),、彭建偉,、耿天寶

項(xiàng)目概況
3D打印即快速成型技術(shù)的一種，它是以計(jì)算機(jī)模型文件為基礎(chǔ),，通過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng),，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將粉末狀金屬,、陶瓷或塑料等可粘合材料,，通過(guò)電腦控制把“打印材料”通過(guò)逐層堆積黏結(jié)的方式來(lái)制造物體的技術(shù)。而3D打印混凝土技術(shù)是在3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的應(yīng)用于混凝土施工的新技術(shù),，3D打印混凝土技術(shù)在打印過(guò)程中,，無(wú)需傳統(tǒng)混凝土成型過(guò)程中的支模過(guò)程，是一種最新的混凝土無(wú)模成型技術(shù),，同時(shí)3D打印機(jī)械在計(jì)算機(jī)軟件的控制下,，使用具有高度可控制擠壓性的水泥基漿體材料，可以快速打印梁板柱等構(gòu)件、精確定位面板和孔洞,，可實(shí)現(xiàn)超復(fù)雜大尺寸建筑構(gòu)件的三維快速制設(shè)計(jì)制作,。

3D打印混凝土技術(shù)與傳統(tǒng)制造工藝相比，采用3D打印這一創(chuàng)新的制造工藝為水泥基材料中的應(yīng)用帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)：（1）突破傳統(tǒng)建筑技術(shù)的限制,，設(shè)計(jì)打印結(jié)構(gòu)更獨(dú)特的建筑,；（2）可以極大提高制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)的速率，并降低難度,；（3）可以設(shè)計(jì)特殊的功能結(jié)構(gòu)以滿足聲學(xué),、熱學(xué)等方面的要求；（4）更加綠色環(huán)保,，可降低物耗,、能耗，減少建筑業(yè)對(duì)環(huán)境,、噪聲污染,；（5）不需要使用模板，縮短工期,，節(jié)約人工,，節(jié)約成本。由于以上優(yōu)勢(shì),，3D打印混凝土技術(shù)將成為混凝土發(fā)展歷程上一次重大的轉(zhuǎn)折點(diǎn),，顯示出廣闊的前景。

本研究課題計(jì)劃根據(jù)依托項(xiàng)目的通用和專(zhuān)用裝飾性建筑部品的力學(xué),、耐久性能和外觀尺寸造型等要求,，針對(duì)性地對(duì)打印材料、打印設(shè)備及控制系統(tǒng)展開(kāi)深入研究,，對(duì)裝飾性建筑部品的3D打印電子模型設(shè)計(jì)和三維轉(zhuǎn)化方案,、打印原材料的改進(jìn)和性能評(píng)價(jià)測(cè)試、機(jī)械設(shè)備和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造等三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,，最終利用3D打印建造技術(shù)建造出滿足要求的裝飾性建筑部品,。在依托項(xiàng)目上成功應(yīng)用，形成了3D打印裝飾性建筑部品的產(chǎn)業(yè)化,，該項(xiàng)研究成果總結(jié)出來(lái)的方法原理可為后期利用3D打印建造技術(shù)建造傳統(tǒng)建筑物的研究提供借鑒與參考,，從而推動(dòng)3D打印建造技術(shù)在建筑行業(yè)領(lǐng)域的推廣。

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
（1）揭示3D打印混凝土微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑速率機(jī)理,，深入分析觸變劑,、CSH凝膠、砂灰比,、凹凸棒石等核心要素,，為3D打印混凝土可打印性的調(diào)控建立理論基礎(chǔ),。

（2）基于性能設(shè)計(jì)，研制了一種3D打印建造專(zhuān)用水泥基復(fù)合材料,，具備以下特性：高微結(jié)構(gòu)構(gòu)筑速率,、微結(jié)構(gòu)構(gòu)筑速率與打印間隔時(shí)間匹配性好、可工作時(shí)間可控（30-75min）,、高觸變性,、可泵送、擠出性好,、無(wú)開(kāi)裂,、尺寸穩(wěn)定性好。

（3）開(kāi)發(fā)了一種評(píng)價(jià)3D打印混凝土建造性（承載力及形變量）的裝置：通過(guò)在3D打印混凝土試樣上部加載,，讀取壓力傳感平臺(tái)的加載數(shù)值和位移刻度盤(pán)的數(shù)值,，得到所測(cè)3D打印混凝土的承載力與厚度、寬度的形變量,。

（4）研制出3D混凝土打印機(jī)及連續(xù)供料成套裝備,，具備連續(xù)供料、攪拌,、泵送和打印功能,，包括有攪拌螺旋擠出機(jī)、連續(xù)式制漿機(jī),、螺旋泵送機(jī)和自動(dòng)化控制系統(tǒng),，解決傳統(tǒng)3D打印建筑構(gòu)件效率較低的技術(shù)難題；

（5）形成裝飾性部品3D打印“鋼混協(xié)同”工藝工法,，融合3D打印混凝土的成型方式和鋼筋體系制作施工工藝,。

應(yīng)用效果

△3D打印景觀小品效果圖

△3D打印景觀小品實(shí)景圖

△3D打印景觀涼亭效果圖

△3D打印景觀涼亭實(shí)景圖

△3D打印景觀小橋效果圖

△3D打印景觀小橋?qū)嵕皥D

課題同步開(kāi)展了產(chǎn)業(yè)化研究，已經(jīng)承接并完成了余杭塘河流域水環(huán)境綜合治理PPP項(xiàng)目經(jīng)理部生活區(qū)3D打印建造景觀工程,，南京瓜埠鎮(zhèn)豐原路橋欄桿修繕工程,，南京江北新區(qū)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研創(chuàng)園籃球場(chǎng)配套工程,、設(shè)備用房,、公交站臺(tái)工程，南京南部新城3D打印景觀工程,、巢湖佰和佰楽兒童樂(lè)園景觀工程等項(xiàng)目,，初步形成了一套“規(guī)劃-設(shè)計(jì)-生產(chǎn)-施工的3D打印建造產(chǎn)業(yè)鏈”，產(chǎn)生了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益,。

企業(yè)介紹

中鐵四局集團(tuán)有限公司,，是世界500強(qiáng)企業(yè)——中國(guó)中鐵股份有限公司的“標(biāo)桿”成員單位。擁有1個(gè)博士后科研工作站,，2個(gè)國(guó)家級(jí)技術(shù)中心,，11個(gè)省級(jí)企業(yè)技術(shù)中心,，5個(gè)省級(jí)工程(技術(shù))研究中心，榮獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)12項(xiàng),、國(guó)家級(jí)工法24項(xiàng),、國(guó)家授權(quán)專(zhuān)利1611項(xiàng)。先后被評(píng)為“全國(guó)文明單位”“國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)示范企業(yè)”“全國(guó)重合同守信用企業(yè)”“全國(guó)工程建設(shè)質(zhì)量管理優(yōu)秀企業(yè)”“全國(guó)建筑科技進(jìn)步與技術(shù)創(chuàng)新先進(jìn)單位”“中國(guó)品牌文化影響力十大最具價(jià)值品牌”“中國(guó)企業(yè)形象管理典范單位” “全國(guó)模范勞動(dòng)關(guān)系和諧企業(yè)”“全國(guó)質(zhì)量誠(chéng)信標(biāo)桿企業(yè)”“全國(guó)建筑業(yè)AAA級(jí)信用企業(yè)”等榮譽(yù),。局從2019年開(kāi)始開(kāi)展各類(lèi)3D打印設(shè)備及材料研發(fā),，通過(guò)設(shè)立專(zhuān)項(xiàng)研發(fā)費(fèi)用用于支持各子分公司積極開(kāi)展此類(lèi)攻關(guān)課題，截止目前共開(kāi)展并完成此類(lèi)課題十余項(xiàng),，研發(fā)費(fèi)用支出約530萬(wàn)元,。

安徽數(shù)智建造研究院有限公司，是中鐵四局集團(tuán)全資子公司,，是集產(chǎn)學(xué)研為一體的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè),。公司獲國(guó)家鐵路局重大科技創(chuàng)新成果1項(xiàng)，安徽省科學(xué)技術(shù)三等獎(jiǎng)1項(xiàng),，中國(guó)中鐵科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)2項(xiàng),、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，中國(guó)交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)三等獎(jiǎng)1項(xiàng),，中國(guó)混凝土與水泥協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)三等獎(jiǎng)1項(xiàng),，7項(xiàng)成果獲評(píng)建筑行業(yè)信息化典型案例，6項(xiàng)科技成果被股份公司認(rèn)定為國(guó)際領(lǐng)先和國(guó)際先進(jìn)水平,。申請(qǐng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)200余項(xiàng),，已獲授權(quán)181項(xiàng)，其中發(fā)明專(zhuān)利12項(xiàng),。公司于2019年開(kāi)始進(jìn)行“3D打印技術(shù)在建筑工程中的裝飾性建筑部品應(yīng)用研究”,，針對(duì)性地對(duì)打印材料、打印設(shè)備及控制系統(tǒng)展開(kāi)深入研究,，對(duì)裝飾性建筑部品的打印原材料的改進(jìn)和性能評(píng)價(jià)測(cè)試,、機(jī)械設(shè)備和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造、現(xiàn)場(chǎng)配套施工工藝等三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,，形成3D打印裝飾性建筑部品的產(chǎn)業(yè)化,，研究成果總結(jié)出來(lái)的方法原理可為后期利用3D打印建造技術(shù)建造傳統(tǒng)建筑物的研究提供借鑒與參考，從而推動(dòng)3D打印建造技術(shù)在整個(gè)建筑行業(yè)領(lǐng)域的推廣,。

安徽中鐵工程材料科技有限公司,，是一家集建筑工程材料研發(fā)、生產(chǎn),、銷(xiāo)售和服務(wù)為一體的國(guó)家高新技術(shù)企業(yè),。公司自2006年成立以來(lái)，連續(xù)六年蟬聯(lián)中國(guó)混凝土外加劑行業(yè)前五強(qiáng),。公司對(duì)3D打印材料,、打印設(shè)備及控制系統(tǒng)展開(kāi)深入研究,，從原材料的改進(jìn)和性能評(píng)價(jià)、機(jī)械設(shè)備和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造,、現(xiàn)場(chǎng)配套施工工藝等三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)入手,，申請(qǐng)了“一種3D打印混凝土專(zhuān)用觸變劑”、“一種建筑3D打印機(jī)連續(xù)供料系統(tǒng)”等1項(xiàng)美國(guó)發(fā)明專(zhuān)利,、5項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利和3項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利,，技術(shù)成果榮獲第一屆全國(guó)混凝土3D打印創(chuàng)新大賽材料工程應(yīng)用創(chuàng)新類(lèi)一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)，形成3D打印裝飾性建筑部品的產(chǎn)業(yè)化,，在余杭塘河流域水環(huán)境綜合治理PPP項(xiàng)目部景觀工程,、江北新區(qū)研創(chuàng)園等項(xiàng)目成功應(yīng)用，推動(dòng)3D打印建造技術(shù)在整個(gè)建筑行業(yè)領(lǐng)域的推廣,。