3D打印技術在建筑工程中的裝飾性建筑部品應用研究

來源：CCPA科技工作部 程倩

主要完成單位：中鐵四局集團有限公司,、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,、彭建偉、耿天寶

項目概況
3D打印即快速成型技術的一種,，它是以計算機模型文件為基礎,，通過軟件分層離散和數(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,，通過電腦控制把“打印材料”通過逐層堆積黏結(jié)的方式來制造物體的技術,。而3D打印混凝土技術是在3D打印技術的基礎上發(fā)展起來的應用于混凝土施工的新技術，3D打印混凝土技術在打印過程中,，無需傳統(tǒng)混凝土成型過程中的支模過程,，是一種最新的混凝土無模成型技術，同時3D打印機械在計算機軟件的控制下,，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,，可實現(xiàn)超復雜大尺寸建筑構(gòu)件的三維快速制設計制作,。

3D打印混凝土技術與傳統(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用帶來諸多優(yōu)勢：（1）突破傳統(tǒng)建筑技術的限制，設計打印結(jié)構(gòu)更獨特的建筑,；（2）可以極大提高制作復雜結(jié)構(gòu)時的速率,，并降低難度；（3）可以設計特殊的功能結(jié)構(gòu)以滿足聲學,、熱學等方面的要求,；（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，3D打印混凝土技術將成為混凝土發(fā)展歷程上一次重大的轉(zhuǎn)折點,，顯示出廣闊的前景,。

本研究課題計劃根據(jù)依托項目的通用和專用裝飾性建筑部品的力學、耐久性能和外觀尺寸造型等要求,，針對性地對打印材料,、打印設備及控制系統(tǒng)展開深入研究，對裝飾性建筑部品的3D打印電子模型設計和三維轉(zhuǎn)化方案,、打印原材料的改進和性能評價測試,、機械設備和控制系統(tǒng)的設計與制造等三個關鍵技術進行研究，最終利用3D打印建造技術建造出滿足要求的裝飾性建筑部品,。在依托項目上成功應用,，形成了3D打印裝飾性建筑部品的產(chǎn)業(yè)化，該項研究成果總結(jié)出來的方法原理可為后期利用3D打印建造技術建造傳統(tǒng)建筑物的研究提供借鑒與參考,，從而推動3D打印建造技術在建筑行業(yè)領域的推廣,。

主要創(chuàng)新點
（1）揭示3D打印混凝土微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑速率機理，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,。

（2）基于性能設計，研制了一種3D打印建造專用水泥基復合材料，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間匹配性好,、可工作時間可控（30-75min）、高觸變性,、可泵送,、擠出性好、無開裂,、尺寸穩(wěn)定性好,。

（3）開發(fā)了一種評價3D打印混凝土建造性（承載力及形變量）的裝置：通過在3D打印混凝土試樣上部加載，讀取壓力傳感平臺的加載數(shù)值和位移刻度盤的數(shù)值,，得到所測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,、連續(xù)式制漿機、螺旋泵送機和自動化控制系統(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,。

應用效果

△3D打印景觀小品效果圖

△3D打印景觀小品實景圖

△3D打印景觀涼亭效果圖

△3D打印景觀涼亭實景圖

△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)技術研創(chuàng)園籃球場配套工程,、設備用房、公交站臺工程,，南京南部新城3D打印景觀工程,、巢湖佰和佰楽兒童樂園景觀工程等項目，初步形成了一套“規(guī)劃-設計-生產(chǎn)-施工的3D打印建造產(chǎn)業(yè)鏈”,，產(chǎn)生了良好的社會和經(jīng)濟效益,。

企業(yè)介紹

中鐵四局集團有限公司，是世界500強企業(yè)——中國中鐵股份有限公司的“標桿”成員單位,。擁有1個博士后科研工作站,，2個國家級技術中心,，11個省級企業(yè)技術中心,，5個省級工程(技術)研究中心，榮獲國家科技進步獎12項、國家級工法24項,、國家授權專利1611項,。先后被評為“全國文明單位”“國家知識產(chǎn)權示范企業(yè)”“全國重合同守信用企業(yè)”“全國工程建設質(zhì)量管理優(yōu)秀企業(yè)”“全國建筑科技進步與技術創(chuàng)新先進單位”“中國品牌文化影響力十大最具價值品牌”“中國企業(yè)形象管理典范單位” “全國模范勞動關系和諧企業(yè)”“全國質(zhì)量誠信標桿企業(yè)”“全國建筑業(yè)AAA級信用企業(yè)”等榮譽。局從2019年開始開展各類3D打印設備及材料研發(fā),，通過設立專項研發(fā)費用用于支持各子分公司積極開展此類攻關課題,，截止目前共開展并完成此類課題十余項，研發(fā)費用支出約530萬元,。

安徽數(shù)智建造研究院有限公司,，是中鐵四局集團全資子公司，是集產(chǎn)學研為一體的國家高新技術企業(yè),。公司獲國家鐵路局重大科技創(chuàng)新成果1項,，安徽省科學技術三等獎1項，中國中鐵科學技術一等獎2項,、二等獎2項,，中國交通運輸協(xié)會科學技術三等獎1項，中國混凝土與水泥協(xié)會科學技術三等獎1項,，7項成果獲評建筑行業(yè)信息化典型案例,，6項科技成果被股份公司認定為國際領先和國際先進水平。申請知識產(chǎn)權200余項,，已獲授權181項,，其中發(fā)明專利12項。公司于2019年開始進行“3D打印技術在建筑工程中的裝飾性建筑部品應用研究”,，針對性地對打印材料,、打印設備及控制系統(tǒng)展開深入研究，對裝飾性建筑部品的打印原材料的改進和性能評價測試,、機械設備和控制系統(tǒng)的設計與制造,、現(xiàn)場配套施工工藝等三個關鍵技術進行研究，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)出來的方法原理可為后期利用3D打印建造技術建造傳統(tǒng)建筑物的研究提供借鑒與參考,，從而推動3D打印建造技術在整個建筑行業(yè)領域的推廣。

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)、銷售和服務為一體的國家高新技術企業(yè),。公司自2006年成立以來,，連續(xù)六年蟬聯(lián)中國混凝土外加劑行業(yè)前五強。公司對3D打印材料,、打印設備及控制系統(tǒng)展開深入研究,，從原材料的改進和性能評價、機械設備和控制系統(tǒng)的設計與制造、現(xiàn)場配套施工工藝等三個關鍵技術入手,，申請了“一種3D打印混凝土專用觸變劑”,、“一種建筑3D打印機連續(xù)供料系統(tǒng)”等1項美國發(fā)明專利、5項發(fā)明專利和3項實用新型專利,，技術成果榮獲第一屆全國混凝土3D打印創(chuàng)新大賽材料工程應用創(chuàng)新類一等獎等獎項,，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項目部景觀工程,、江北新區(qū)研創(chuàng)園等項目成功應用,，推動3D打印建造技術在整個建筑行業(yè)領域的推廣。