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3D打印技术在建筑业的应用与发展现状

更新时间: 2019-09-16 15:35:18  查看次数: 466    

混凝土是以胶凝材料为基体材料将其中的骨料颗粒粘结在一起所组成的无机复合材料,是目前应用最为广泛的建筑材料。混凝土建筑传统施工工艺流程多,所需的施工周期长,所耗费的人力与物力大。应用3D打印工艺进行建筑的建造有着更多的优势:首先,在成型工艺过程中无需模具,从而减少了模具费用的开销,并且可以完成特殊形状构件的成型;其次,整个过程可以完全采用机器施工,减少工人的数量,进而减少了劳动力的开销;再次,施工速度快,因为以机器人为主的施工方式可以提高施工效率,从而缩短了施工周期;最后,可以实现环保施工,采用3D打印工艺不会有过多的建筑废弃副产品生成,进而减少噪音、建筑垃圾和粉尘的污染。


美国科学家JosephPegna在1997年第一个尝试将水泥基材料用于建筑构件打印,方法类似于选择性沉淀打印技术:首先将一层薄薄的砂子铺在底层,然后将水泥胶凝材料铺在砂层上,随后一层砂子一层胶凝材料,重复这些步骤直至将一个建筑构件堆积起来,最后采用蒸汽养护使其快速固化成型。近年来,以水泥基材料作为打印材料的3D打印技术工艺可以分为:轮廓工艺(Contourcrafting)、D型工艺(D-shapeprocess)和混凝土打印工艺(Concreteprinting)。“轮廓工艺”由美国南加州大学的BehrokhKhoshevis教授于2001年提出,利用3D打印工艺的分层制造原理,通过计算机控制一个大型龙门机器人将水泥基材料挤出层层堆积完成预先设计的建筑构件的外轮廓,随后将混凝土浇筑入已打印好的轮廓内完成建筑物的打印。2008年英国拉夫堡大学建筑工程学院的RichardBuswell提出“混凝土打印”,该技术与“轮廓工艺”相似,使用打印机器人从喷嘴处挤压出混凝土通过层层堆积进行建筑构件的打印建造。2013年荷兰阿姆斯特丹建筑大学的建筑师JanjaapRuijssenaars和意大利发明家EnricoDini使用“D型工艺”完成了“LandscapeHouse”的建造。该工艺是基于胶凝材料和细骨料混合硬化的快速成型技术,使用的材料是粒径较小的细砂和可以作为粘结剂的镁基胶材料,通过喷嘴将一层细砂一层镁基胶材料交替喷涂最终打印成为石质的构件。与打印技术相似的滑模工艺也是混凝土快速成型的一种技术工艺。


在国内上海盈创装饰工程有限公司于2014年3月在上海张江高新技术产业开发区青浦园区内采用轮廓工艺打印了10栋200平米的实体房屋,经由一台大型3D打印机将建筑垃圾制成的水泥基材料层层堆积打印而成,整个建造过程仅仅花费了24个小时。中国建筑第八工程局有限公司、同济大学和上海盈创公司对3D打印建筑材料和结构体系进行了相关的研究,并施工打印建造了一些相关的实体建筑。3D打印建筑工艺所具有的优势吸引了人们大量的目光,人们尝试着不同的材料和不同的打印工艺去完成建筑的3D打印,同时提出了对建筑3D打印未来的展望。3D打印技术相对于传统制造业有着明显的优越性,并且在建筑行业具有极大的应用潜力,但3D打印技术应用于建筑行业是一个全新的领域,目前还处于研发试用阶段,该技术的推广需要各个学科之间的配合来完成,这涉及了机械学科、软件学科、建筑施工学科以及材料学科,同样,跨多学科研究制约了3D打印技术在建筑行业的发展。


在机械方面,不同的打印工艺和打印材料需要相适应的打印配套设备,真正可以用于3D打印水泥基材料的打印设备极其短缺并且造价昂贵。在软件方面,由于该技术的发展与应用依赖于软件设计,需要软件设计将所需打印的建筑进行建模编程进而利用计算机控制大型的龙门机器人进行打印建造。在传统的建筑施工方面,不同形状、不同功能的建筑有各自的施工方法,同样的在3D打印建筑施工过程中也存在着相同的问题,因此需要有针对不同建筑的打印施工方法。最后,3D打印建筑的材料问题受到原材料的选择以及材料测试技术及其性能评价的限制。尽管该技术在建筑行业已经有了一定的发展,但在材料、设备以及打印工艺方面的都各成一家,并没有统一、完善的体系,这样并不利于3D打印技术在建筑业的长期发展。