3D打印設(shè)備正在打印墻面
裝配式混凝土3D打印趙州橋今年10月在河北工業(yè)大學(xué)落成。 資料圖片
中建二局廣東建設(shè)基地3D原位打印二層示范建筑施工現(xiàn)場(chǎng)
3D打印墻體特寫(xiě)(本版其他圖片由中建二局華南公司提供)
蓋房子能像打印機(jī)打印東西一樣?如果不是親眼所見(jiàn),恐怕很難相信,眼前正在建設(shè)中的小樓,一樓墻面全部是由懸掛在空中的噴頭“打印”出來(lái)的。日前,記者走進(jìn)中建二局廣東建設(shè)基地,探訪世界首個(gè)3D原位打印二層示范建筑。記者看到,小樓四周搭建著高大的金屬框架,懸掛在上面的打印頭可以在XYZ軸三個(gè)方向上自由移動(dòng),通過(guò)噴吐混凝土材料“蓋房”。
“打印機(jī)、噴頭、油墨、紙張”一樣不少,打印一層樓不到30個(gè)小時(shí)
“3D打印建筑的基本原理與一般打印機(jī)一樣,要有打印機(jī)體、噴頭、油墨、紙張?!敝袊?guó)建筑技術(shù)中心材料工程研究所所長(zhǎng)助理霍亮介紹說(shuō)。如果把建筑四周搭建的金屬框架視作打印機(jī)的機(jī)體,那么噴吐混凝土的打印頭就相當(dāng)于一般打印機(jī)的噴頭,只不過(guò)它噴出的既不是油墨也不是一般的混凝土,而是為打印施工特別配制的打印材料。“就像炒菜會(huì)放鹽和醬油一樣,為了適應(yīng)3D打印的特點(diǎn),我們?cè)诮ㄖ牧仙献隽艘恍┱{(diào)整?!被袅琳f(shuō)。
眾所周知,傳統(tǒng)的建筑施工中,混凝土砂漿的材料特性決定了其澆筑不能間斷,要一次完成。3D打印建筑也同樣不能間斷,打印頭通過(guò)一圈一圈連續(xù)噴吐寬5厘米、厚2.5厘米的打印材料,經(jīng)過(guò)層層堆積建造墻面。但是問(wèn)題來(lái)了,如果下層混凝土凝結(jié)慢,沒(méi)有形成足夠的強(qiáng)度,就無(wú)法支撐上層材料的重量,導(dǎo)致墻面變形甚至垮塌;如果凝結(jié)太快,又會(huì)出現(xiàn)和上層材料的黏合問(wèn)題。“我們通過(guò)反復(fù)試驗(yàn),在一般的混凝土中添加了外加劑,通過(guò)調(diào)節(jié)材料黏稠度和凝結(jié)時(shí)間,解決了這一問(wèn)題。”霍亮說(shuō)。
光有打印機(jī)、打印頭和打印材料還不行,“紙張”也同樣重要?!霸谑┕で?,我們?cè)诘叵骂A(yù)埋了鋼筋,這就相當(dāng)于‘打印紙’,在打印過(guò)程中,隨著墻體越來(lái)越高,工人趁著混凝土砂漿尚未凝固時(shí)可以像切蛋糕一樣在墻體底部開(kāi)洞,為墻體內(nèi)的鋼筋籠與地基中的鋼筋焊接預(yù)留出空間,操作相當(dāng)方便。”中建二局廣東建設(shè)基地有限公司科技部副經(jīng)理黃云說(shuō)。
記者爬上腳手架俯視墻面,發(fā)現(xiàn)墻體是中空的。“這是為了給未來(lái)的保溫層等材料填充預(yù)留空間,3D打印建筑的墻體分內(nèi)外兩層打印,設(shè)備按照打印路徑行進(jìn),打印完占地面積約120平方米的一樓墻面用時(shí)不到30小時(shí),建造速度很快?!被袅琳f(shuō)。
據(jù)了解,這棟即將整體完工的二層小樓位于工廠的鋼材鍛造車(chē)間旁,建成后將用于辦公和展示。與3D打印建筑構(gòu)件再拼裝不同,3D原位打印需要克服戶(hù)外環(huán)境變化帶來(lái)的一系列挑戰(zhàn)?!敖ㄖ苓呌袊婌F設(shè)施,用于打印中的保濕和打印后的混凝土養(yǎng)護(hù),在一層打印完成后,至少需要養(yǎng)護(hù)3天時(shí)間,材料強(qiáng)度達(dá)到可進(jìn)行下一階段施工的條件。目前已安裝完一樓樓頂,正在打印第二層?!被袅琳f(shuō)。
省時(shí)、高效、環(huán)保、設(shè)計(jì)自由度高,3D打印或成現(xiàn)有技術(shù)有益補(bǔ)充
熟悉建筑行業(yè)的人都知道,混凝土澆筑需要模板,但3D打印建筑的施工現(xiàn)場(chǎng)卻沒(méi)有。“從傳統(tǒng)工藝特點(diǎn)來(lái)說(shuō),混凝土結(jié)構(gòu)成型需要模具。尤其對(duì)曲面造型設(shè)計(jì)的建筑來(lái)說(shuō),不論是現(xiàn)場(chǎng)澆注成型,還是工廠預(yù)制構(gòu)件,模具制造成本高且不易實(shí)現(xiàn)。而建筑3D打印技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)智能控制實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件及建筑免模板的施工工藝,在曲面建筑和穹頂式建筑建造上具有明顯優(yōu)勢(shì),同時(shí)為設(shè)計(jì)師自由創(chuàng)作提供了可能?!敝袊?guó)建筑技術(shù)中心材料工程研究所所長(zhǎng)張濤說(shuō)。3D打印技術(shù)無(wú)疑將推動(dòng)制造業(yè)的數(shù)字化發(fā)展,在3D打印的世界里,建筑師、工程師和建筑工人將借助科技之力,將建筑與3D打印結(jié)合,完成對(duì)現(xiàn)有建筑技術(shù)的再造。
除此之外,3D打印建筑還可大大節(jié)省建筑用料,降低施工成本。
近年來(lái),中國(guó)建筑能耗總量逐年上升,在能源總消費(fèi)量中所占比例已從20世紀(jì)70年代末的10%,上升到27.45%。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部建筑節(jié)能與科技司研究表明,隨著城市化進(jìn)程的加快和人民生活質(zhì)量的提高,中國(guó)建筑耗能比例將上升至35%左右。建筑3D打印可以充分利用打印智能控制,使建筑一次成型,節(jié)約材料60%,同時(shí)可減少建造過(guò)程中的工藝損耗和能源消耗。
韓國(guó)一家從事3D打印建筑的公司CORONA總裁申?yáng)|源曾向媒體表示:“3D打印建筑可以將建造住宅的施工費(fèi)用降低到現(xiàn)在的1/10。假如一套6坪(19.83平方米)單間房施工費(fèi)用是1億韓元,使用3D打印,可將費(fèi)用壓縮到1000萬(wàn)韓元?!?
另一方面,3D打印建筑還能節(jié)約人力成本。在施工現(xiàn)場(chǎng),記者只看到了五六名工人?!拔覀冞@個(gè)項(xiàng)目建筑面積約230平方米,分為上下兩層,每層高度3.6米。打印部分為墻體和構(gòu)造柱,主體打印部分僅需3天。3D技術(shù)打印房屋全部使用機(jī)械自動(dòng)化操作,以往要十二三名工人操作的項(xiàng)目現(xiàn)在用一半人就可以完成”。霍亮說(shuō)。
在中國(guó)逐步邁入老齡化社會(huì)、人力成本越來(lái)越高的形勢(shì)下,勞動(dòng)密集型的建筑業(yè)發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)??梢灶A(yù)見(jiàn),在用工成本不斷增加的今天,3D打印技術(shù)未來(lái)可能對(duì)行業(yè)變革產(chǎn)生巨大影響。
不過(guò)目前3D打印技術(shù)沒(méi)有真正批量應(yīng)用在建筑工程中?!半m然3D打印具有無(wú)模板的優(yōu)點(diǎn),但是打印墻體中的橫向鋼筋、豎向鋼筋、箍筋的布置和連接在目前的工藝中還不能有效解決?!被袅琳f(shuō),“建筑3D打印技術(shù)與現(xiàn)有施工技術(shù)是互補(bǔ)的、相互依靠的關(guān)系。研發(fā)及應(yīng)用這一技術(shù)不是要替代現(xiàn)有施工技術(shù),而是將其作為對(duì)現(xiàn)有施工技術(shù)的一個(gè)強(qiáng)有力補(bǔ)充?!?
國(guó)際建筑界普遍關(guān)注,中國(guó)3D打印建筑水平與世界同步
在慶祝中華人民共和國(guó)成立70周年大會(huì)群眾游行活動(dòng)中,“奮進(jìn)上海”彩車(chē)上的中共一大會(huì)址、自貿(mào)區(qū)、陸家嘴等微縮建筑模型都是由3D打印技術(shù)制造的,再一次引發(fā)人們對(duì)3D打印技術(shù)的關(guān)注。這一誕生于上世紀(jì)90年代中期的技術(shù)又稱(chēng)“增材制造”,是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料,通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù),廣泛應(yīng)用于珠寶、鞋類(lèi)、航空航天、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域,在建筑方面的應(yīng)用還較為前沿。
近年來(lái),3D打印建筑在國(guó)內(nèi)外建筑界引起廣泛關(guān)注,相關(guān)探索層出不窮。中國(guó)盈創(chuàng)建筑科技公司曾在2015年1月用3D打印機(jī)建造了一個(gè)5層公寓。阿聯(lián)酋“OFFICE OF THE FUTURE”(未來(lái)辦公室)項(xiàng)目是全球首個(gè)采用3D打印技術(shù)完成的高檔辦公室項(xiàng)目。今年7月,太空灰3D打印團(tuán)隊(duì)宣布,完成了全球首座整體3D打印的混凝土拱橋。南京嘉翼數(shù)字化增材技術(shù)研究院有限公司用3D打印技術(shù)建成的垃圾投放站今年9月亮相南京江北新區(qū)。不久前,迪拜首座3D打印雙層建筑落成。
“目前,國(guó)內(nèi)外建筑3D打印技術(shù)同步發(fā)展,中國(guó)建筑行業(yè)在某些應(yīng)用方面甚至已經(jīng)超越國(guó)外同行?!被袅琳f(shuō),“3D打印建筑涉及學(xué)科多,缺少相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范。目前國(guó)內(nèi)的相關(guān)行業(yè)組織已經(jīng)成立,國(guó)內(nèi)外的業(yè)務(wù)交流活動(dòng)也越來(lái)越多?!?
國(guó)內(nèi)第一個(gè)建筑3D打印領(lǐng)域的行業(yè)組織——中國(guó)混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)3D打印分會(huì)于去年成立。中國(guó)建筑技術(shù)中心主編的《混凝土3D打印技術(shù)規(guī)程》已經(jīng)起草完畢,目前處于征求意見(jiàn)階段。首屆建筑3D打印國(guó)際會(huì)議去年11月在澳大利亞墨爾本舉行,今年10月落戶(hù)天津,由河北工業(yè)大學(xué)和同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合主辦。
《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出:“增材制造(3D打?。?、機(jī)器人與智能制造、超材料與納米材料等領(lǐng)域技術(shù)不斷取得重大突破,推動(dòng)傳統(tǒng)工業(yè)體系分化變革,將重塑制造業(yè)國(guó)際分工格局?!蓖瑫r(shí)明確提出“打造增材制造產(chǎn)業(yè)鏈”。在國(guó)家政策引領(lǐng)下,國(guó)內(nèi)建筑企業(yè)在3D打印方面的探索正步步深入。“暢想未來(lái),這一技術(shù)也許會(huì)應(yīng)用在外太空建造中,我們可能只需要一個(gè)‘打印機(jī)’就能從月球表面提取材料造房子了?!被袅琳f(shuō)。