3D打印或掀建筑产业大革命

发布日期：2017-02-03来源：中国建设报编辑：伏牛山

[摘要]

3D打印示意图

不需要使用模具，采用水泥、砂石为原料，按照设计图用3D打印机喷出高性能混凝土，逐层打印出墙壁、隔间、装饰等构件，再用机械手臂完成整栋房屋的基本构架。这就是建筑3D打印技术。

近日，中国建筑工程总公司所属中建技术中心环境与材料工程研究所一项科技成果“建筑3D打印材料及应用技术”通过鉴定，总体达到国际先进水平。该成果实现了建筑构件和实体房屋的3D打印，效果良好，对3D打印技术的应用起到了积极的推进作用。

优势：速度快、不使用模板且绿色环保

建筑3D打印技术是将3D打印与建筑施工有机结合起来的一种新型建筑技术，其原理是将需要打印的建筑构件利用计算机软件进行模型分割，将三维的图形信息转化为打印路径，将混凝土或砂浆拌合物通过输送系统泵送至打印头，通过建筑3D打印机依照软件预先处理好的路径，使打印材料逐层叠加，最终制备得到建筑构件。建筑3D打印技术已经成为一种工业化发展的趋势。目前，基于计算机控制的快速成型技术日臻成熟，3D打印建筑也在全世界不同的国家和地区开始出现并得到关注。

中建技术中心环境与材料工程研究所副所长张涛告诉记者：“与传统建造相比，建筑3D打印技术不仅速度快，而且不需要使用模板，可以大幅节约成本，并且具有低碳、绿色、环保的特点。建筑3D打印技术的发展，必将成为传统建造技术的一个有力补充。”

建筑3D打印的研究和应用刚起步。近几年已有一些尝试研究和探索：美国明尼苏达州一个3D打印团队用单打印头机器打印完成了占地3米×5米“中世纪城堡”，是目前建筑3D打印技术应用的一个比较经典的案例。该项目采用非整体现场打印，部分构件打印完成后再现场吊装。外观打印痕迹均匀清晰，“城堡”的墙体厚30厘米。菲律宾利用这一技术打印出有两间卧室、一间客厅和一个带按摩浴缸的房间，用时100小时，建筑占地面积10.5×12.5米。

纵观现有的国内外建筑3D打印技术的应用，普遍存在技术还不够完善、材料存在缺陷、3D打印的速度较慢等问题。张涛告诉记者：“目前，建筑3D打印技术主要处于研发和技术改进阶段，现在已经能够打印一些建筑构件以及一些结构、形状不太复杂的小型建筑。而在实际工程施工阶段，建筑3D打印技术还处在不断的探究和摸索阶段。”

研发：新材料、新设备为3D打印提供支撑

机械和技术发展促进了新思维的产生，将实际和创新连接在了一起，更好地深入建设领域。建筑3D打印技术最重要的技术之一是材料技术。随着工业精密机床技术和机器人技术的不断发展，越来越需要材料技术来满足建筑3D打印的需要。张涛告诉记者：“建筑3D打印材料是在传统建筑原材料基础上对混凝土材料的改进与升华，因此它的性能首先要满足现有标准中建筑物对混凝土强度和耐久性能的要求。另外，从经济性和环保性方面来说，还应该满足原材料就地取材、成本低、绿色环保等要求。”

建筑3D打印技术的一个特点是没有模板，因此打印材料的可堆积性和下层材料对逐渐增加的上层材料的承载力非常重要。建筑3D打印技术对材料的性能要求主要有凝结时间、强度、工作时流动性等。张涛说：“具体来讲，一是凝结时间要能够根据3D打印施工的不同要求灵活控制。二是具有一定的流动性，打印头挤出后能够堆积成型并具有一定的承载力，能够承受自重以及打印过程中的动荷载。三是具有良好的层间黏结力，成型结构的不同方向受力性能差异较小。四是具有较高的早期强度，保证连续3D打印过程中对建筑结构整体具有足够的承载力。”

普通硅酸盐水泥在目前工程中应用广泛，具有成本低、生产厂家分布广、性能稳定等优点，是制备建筑3D打印材料的有利选择，但因为其水化速度慢、凝结时间较长、早期强度低的特点，制约了其作为建筑3D打印材料的应用。环境与材料工程研究所对此进行了研究，采用不同的技术对比，多次试验，研制出的建筑3D打印用水泥基材料，具有良好的触变性、凝结时间可控、黏结性好，可连续打印。此外，该成果还利用冶金渣等工业固体废物，开发了性能优良的地质聚合物基干粉砂浆3D打印材料，具有成本低、绿色环保等特点。

3D打印机是实现最终成品的关键。建筑3D打印装置和控制系统的技术特征是要自主设计适用于建筑材料的打印架、配套泵送装置、挤出装置、控制系统以及相应的打印工艺。目前，国内外建筑3D打印的重点放在打印机的结构上，出现了如行吊式、龙门式、布料机式的建筑3D打印机形式，但对适用于建筑3D打印材料的泵送系统、挤出系统和控制系统等打印配套工艺研究不多。而常规的混凝土泵送系统和雕刻机形式的控制系统又无法满足实际打印要求。为此，环境与材料工程研究所开发了适用的打印机控制系统，具有读取和绘画路径、打印速度可调，供料速度与打印行走速度匹配等功能，还可以满足异形建筑构件打印。

未来：挑战和机遇并存

无论是通过改进3D打印的建筑材料，还是优化3D打印建筑物的设计，最终目的都是为了通过3D打印技术建造出节省材料、造型丰富而独特并且坚固耐用、让人们可以安心居住和使用的建筑物。3D打印在建筑行业还处在探索阶段。可以预见，要实现技术的普及还有不少的困难要克服。2016年8月，住房城乡建设部下发的《2016年~2020年建筑业信息化发展纲要》提出：积极开展建筑业3D打印设备及材料的研究。结合BIM技术应用，探索3D打印技术运用于建筑部品、构件生产，开展示范应用。

建筑3D打印技术在未来的发展存在诸多机遇和挑战。张涛认为，要加快建筑3D打印技术相关标准制定的推行工作，为建筑3D打印技术提供一个可持续的发展空间。

实现建筑3D打印机多功能化。通过不断的研发创新，使建筑3D打印机具有更多功能，如模块化、可爬升，开发出更实用的建筑3D打印软件系统。完善建筑3D打印材料体系研究。通过开发成本较低、性能可靠的材料，使其性能更符合3D打印的工艺要求，打印具有特殊性能的建筑物。同时，还要推进建筑3D打印技术和传统建造技术的兼容和互补。建筑3D打印技术不是万能的，通过不断创新和完善使其与传统的建造技术完美融合、互为补充是建筑3D打印技术发展的一个重要方向。
                             

            3D打印建筑亮相湖北宜昌  

【相关阅读】

• 工程造价已步入智能造价时代
• 国务院批复同意《西部大开发“十三五”规划》
• 《中国木材保护工业发展规划（2016-2020年）》正式印
• 全国累计退还建筑业企业各类保证金496.5亿元
• 国家统计局：2016年建筑业总产值193567亿元
• 2016年中国工程机械行业十大新闻榜单揭晓