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建筑3D打印的发展近况及思考

来源:学术堂 作者:韩老师
发布于:2015-11-24 共6425字

  改革开放以来,建筑业已经发展成为我国国民经济的重要支柱产业,但随着经济社会形势的不断发展变化,建筑业面临着新的发展机遇和挑战。

  “十八大”提出了“推进绿色发展、循环发展、低碳发展”和“建设美丽中国”的战略目标,将产业的转型升级提上日程。十八届三中全会对我国城镇化建设进行了全面部署,为我国建筑业发展指明了方向。国家新型城镇化发展战略给建筑业带来了重大发展机遇[1],但建筑业同时也面临着资源消耗大、能源效率低、垃圾排放大、劳动力短缺等诸多问题。

  3D 打印是近期最为热点的技术之一,对制造业的发展有颠覆性影响,已经成为众多国家关注的重点领域。世界顶尖的新闻杂志《经济学人》认为 3D打印技术将引发第三次工业革命[2].建筑 3D 打印是一种以数字模型为基础,以胶凝材料和特种纤维为主的特殊“油墨”,通过逐层打印方式建造房屋的技术。建筑 3D 打印技术对我国建筑业的转型升级具有特别重要的意义。

  1 建筑 3D 打印的意义

  建筑 3D 打印的发展和推进,对于有效解决传统建筑业存在的问题具有重要意义。

  建筑 3D 打印有利于建筑垃圾的处理和再生利用。我国城市建筑垃圾的数量已占到城市垃圾总量的 30% ~ 40%.截至 2011 年,中国城市固体生活垃圾存量已达 70 亿 t,建筑垃圾总量约为 28 亿 t,每年新产生建筑垃圾超过 5 亿 t[3].大部分建筑垃圾未经任何处理便被运往郊外或乡村,采用露天堆放或填埋的方式进行处理,浪费了大量资源。同时,垃圾清运和堆放过程中的撒漏和扬尘问题又造成了严重的环境污染。如果通过加工分离等处理技术使建筑垃圾成为建筑 3D 打印“油墨”的一部分原材料,即可实现建筑垃圾的资源化,让建筑垃圾回到建筑中,这具有非常重要的现实意义。

  建筑 3D 打印有利于缩短工期、降低劳动强度。

  近年来建筑业的薪酬不断看涨,这两年来,北京、上海、广州等地一些建筑工人年收入超过 10 万元。在我国逐步步入老龄化时代、劳动力越来越紧张、人力成本越来越高的形势下,劳动密集型的建筑业发展面临巨大挑战[4].建筑 3D 打印,以信息化和机械化为技术手段,可在 24h 内“打印”出 10 栋 200m2的建筑,缩短工期 70%,节约人工 80%,很大程度上缩小了对劳动力的依赖,也在很大程度上降低建筑工人的劳动强度,改善了工作环境,提高了工作效率。

  建筑 3D 打印有利于减少资源和能源消耗。我国建筑能耗的总量逐年上升,在能源总消费量中所占的比例已从 20 世纪 70 年代末的 10%,上升到27. 45% .住房和城乡建设部科技司研究表明,随着城市化进程的加快和人民生活质量的改善,我国建筑耗能比例最终还将上升至 35% 左右[5].如此大的比重,建筑耗能已经成为我国经济发展的软肋。

  建筑 3D 打印可以充分利用打印智能控制,使建筑一次成型,可节约材料 60%,同时可减少建造过程中的工艺损耗和能源消耗。

  建筑 3D 打印有利于我国新型城镇化实现。中共“十八大”和《中共中央关于全面深化改革若干重大问题的决定》等均对我国新型城镇化提出了明确要求,要体现生态文明、绿色、低碳、节约等要求,将生态文明理念融入城镇化进程。建筑 3D 打印能打印出各种房型及装饰构件,让建筑的艺术性通过 3D打印技术一次实现; 对各种特殊设计结构、空间结构、研发性产品、单一样品具有比常规施工技术更明显的优势; 同时可有效改善施工粉尘和噪声影响,避免了环境污染; 可有效促进我国新型城镇化的实现。

  建筑 3D 打印可以提高垃圾再生利用率、降低能源消耗、提高建造效率、降低劳动强度和成本; 建筑 3D 打印的广泛推广将彻底改变现行建造方式,对推动建筑产业的转型升级、促进我国新型城镇化的实现,具有非常重要的现实意义,是值得大力发展和推广的建造技术。

  2 建筑 3D 打印的发展现状

  3D 打印技术在建筑领域的应用目前可分为 2个方面。

  1) 在建筑设计阶段,主要是制作建筑模型和城市规划模型,设计师们已经开始使用 3D 打印机将虚拟中的三维设计模型直接打印为建筑模型,这种方法快速、环保、成本低、模型制作精美,如图 1所示。
  
  2) 在建筑施工阶段,主要是利用 3D 打印技术建造足尺建筑,通俗地说,就是用机器人盖房子。

  在建筑施工领域,3D 打印建造技术的应用还处于探索阶段,国外在这方面开展了很多实践,国内在这方面也处于领先地位。美国的“轮廓工艺”、意大利的“D-shape”、中国的盈创、荷兰的“KamerMaker”、英国的 Arup 都对建筑 3D 打印技术进行了深 入 研 究,取 得 了 很 多 具 有 开 创 性 的 研 究成果。

  2. 1 美国的“轮廓工艺”

  2012 年,美国航天局( NASA) 与美国南加州大学合作,最新研发出“轮廓工艺”3D 打印技术,24h内就可以打印出大约 230m2的 2 层楼房,大大节约了建筑时间和建筑成本[6].“轮廓工艺”项目负责人、南加州大学教授霍什内维斯介绍[7],“轮廓工艺”其实就是一个超级打印机器人,其外形像 1 台悬停于建筑物之上的桥式起重机,两边是轨道,中间的横梁是打印头,如图 2 所示。横梁可以上下、前后移动,进行 x 轴和 y 轴的打印工作,一层层地将房子打印出来。“轮廓工艺”打印的构件如图 3 所示。

  “轮廓工艺”3D 打印技术目前可以采用水泥混凝土为材料,按照设计图的设计,用 3D 打印机喷嘴喷出高密度、高性能混凝土,逐层打印出墙壁和隔间等,再用机械手臂完成整座房子的基本构架,全程由计算机程序控制。建造过程中,打印头会根据计算机的指示,按照设计图外形,像挤牙膏一样,在指定位置喷出 1圈半流体的混凝土材料。然后喷嘴附带的 2 个泥铲会自动伸出,规整混凝土的形状,如图 4 所示。
  
  2. 2 意大利的“D-shape”

  2012 年,Enrico Dini 发明了大型建筑 3D 打印机“D-shape”[8].“D-shape”外形像巨大的铝桁架结构,中部是打印技术的关键---打印头,整个结构质量非常小,而且非常容易被拆卸、运输和组装。“D-shape”用建筑材料打印出高 4m 的建筑物。“D-shape”打印头的底部有数百个喷嘴,可喷射出镁质黏合物,在黏合物上喷撒砂子可逐渐铸成石质固体,通过一层层的黏合物和砂子结合,最终形成石质建筑物。打印机喷头每打印 1 层时仅形成 5 ~10mm 的厚度,打印速度较慢。建造完毕后建筑体的质地类似于大理石,比混凝土的强度更高[9].Enrico Dini 也在尝试打印更大的结构,并尝试在结构中插入钢筋以提高结构的整体性能。

  2. 3 中国的盈创

  2014 年 5 月,10 幢 3D 打印建筑在上海揭开神秘面纱[10].这些建筑的墙体是以特殊“油墨”为原料,“油墨”主要是建筑垃圾、工业垃圾、水泥,此外还有玻璃纤维和特殊的助剂。计算机根据设计图纸控制 1 台大型 3D 打印机层层叠加打印而成,墙体构件是中空的,可在里面填充保温材料,因此具有良好的保温性能。打印机械比较类似于汽车式起重机,打印机械的喷嘴连续挤出条状的“油墨”,“油墨”层层堆叠形成了一面墙,打印的核心技术就是保证“油墨”在堆叠的过程中不会坍塌,喷嘴挤出第 2 层“油墨”时,第 1 层“油墨”必须半凝固,既不能流动,又要与第 2 层黏合。

  2015 年 1 月,中国建筑第八工程局有限公司携手盈创打印出世界上最高的 3D 打印建筑[11],这是1 幢 5 层的房子,因为房子高度较大,为了抵抗风荷载和地震荷载,在 3D 打印的墙体中还加入钢筋,并对空心墙体进行灌实。

  2. 4 荷兰的“Kamer Maker”

  2014 年 3 月,荷兰的 Dus Architects 公司在阿姆斯特丹北运河带上利用 1 台名为 Kamer Maker 的大型 3D 打 印 机 开 始 打 印 1 栋 运 河 房 屋“CanalHouse”,共由 13 个房间组成[12].目前整个项目已经开始在北部运河的一块空地上“奠基”,整个建筑有望 3 年内构建完成。

  “Kamer Maker”使用的打印材料为可循环塑料,塑料可从碎塑料瓶子中回收得到。根据设计方案,“Kamer Maker”将打印一系列的构件,首先是建筑外墙,然后是天花板和房间的其他部分,最后是家具。这些部件将在原地进行装配,由于它们的一些边缘已经像巨型乐高积木一样设计成型,因此能够互相连接到一起组装成房屋。每打印一块构件需要花费大约 1 周时间,因此整个项目的工期为 3年,由于打印速度比较慢,设计人员通过给打印头加装风扇等方式加快打印速度。构件具有蜂窝状的内部结构,最终将充满一种材料,使其达到类似于混凝土的硬度,以支撑整栋房屋。

  2. 5 英国的 ARUP

  2014 年 6 月,工程顾问公司 ARUP 在海牙设计了一个张拉整体结构,整个结构中存在着不规则连接和特殊结构角度,导致 1 200 个节点的每个节点都是唯一的。如果按照传统的焊接或铸造技术来生产这些节点,成本将非常高,因为每个节点都是唯一的,磨具或切割焊接成本将非常高,因此 ARUP利用 SLS 技术开发了 1 套 3D 打印设备,复杂异形钢节点能够通过 3D 打印设备很快地制造出来。先进的制造工艺导致了设计方法的改进,这些节点采用了最新的优化设计方法,沿着结构的传力路径布置材料,使每部分材料均发挥最大作用。正是因为采用了先进的设计方法和制造工艺,3D 打印的节点要比传统方法制造的节点更轻盈,每个节点的直接质量减少了 75%,从而可以将整体结构的质量减少超过 40%[13].

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