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大咖揭秘:3D打印建筑技術及材料大科普

發表于:2019-05-22 來源:中國3D打印網   瀏覽次數:

  近年來,住宅工業化在國家政策的扶持下快速發展,一批批工業化住宅拔地而起,住宅工業化步入了發展的快車道,特別是信息技術的發展,推動著住宅工業化向自動化、集成化、智能化發展。3D打印混凝土建筑的出現,充分展現了未來住宅工業化發展的美好前景,建筑產業實現智能化制造并不是空中樓閣,上海的一家建筑公司用3D打印機建造了兩座建筑,一座是位于上海的1100平方米別墅,而另一座是位于蘇州的6層住宅樓,而后者也是目前世界上最高的3D打印建筑。

  3D打印技術是一種先進的制造技術,其不受產品結構限制的特性決定了它在許多行業中都有足夠的用武之地。從另一個角度理解,3D打印也只是一種先進的制造技術,是一種工具。它本身作為產品的價值并不高,需要在行業應用中實現價值,是一個技術優勢和用戶需求逐漸契合的過程。對于3D打印混凝土建筑來說,成本、原材料和結構安全是其未來發展的關鍵點。

  目前3D打印混凝土建筑,是將整個建筑進行模塊化設計,用3D打印機將建筑工業化模塊打印出來,最后運送到施工現場進行拼裝,因此其生產施工流程和PC構件工業化住宅基本相同。而不同之處在于,在這些3D打印的墻、板等模塊里面,并沒有鋼筋,而是利用水泥和玻璃纖維結合提高整個混凝土結構的抗拉強度,從而實現用無筋混凝土結構建造6層住宅。

  目前國內住宅工業化PC結構體系分為兩類,一類是全裝配式結構,一類是部分現澆部分裝配式結構。如萬科研發裝配整體式住宅結構體系,實際上是從日本引進過來,它的梁、柱、剪力墻都是現澆,作為承重結構;樓板為預制樓板加現澆疊合層半預制;只有外墻、樓梯、陽臺為全預制構件。遠大住工的第五代集成住宅也與此類似。因而從國內目前的情況看,大部分都采用半預制結構體系,只有遠大的可持續建筑,采用全裝配式的鋼結構建筑,全部是螺栓連接,一天可搭6層。各種新型裝配式建筑結構體系也在不斷地出現。

  3D打印混凝土建筑,作為住宅工業化最前沿最頂端的技術,就是要突破半預制結構體系,采用全裝配結構,甚至全過程3D打印,才能夠實現建筑產業由傳統施工完全蛻變為制造業的過程。除了基礎部分,未來甚至包括基礎全部采用3D打印,實現真正的智能化制造,并運用虛擬裝配技術。虛擬裝配是采用計算機仿真與虛擬現實技術,通過仿真模型在計算機上進行仿真裝配,實現產品的工藝規劃、加工制造和現場裝配的最優化方案。

  對于3D打印的建筑模塊來說,采用無筋的結構一方面是為了便于打印,另一方面也是為了實現3D打印混凝土模塊輕、薄、強的優勢,運用更多品種的混凝土打印出不同功能、結構的建筑模塊。因而3D打印混凝土的原材料來源更廣泛、品種更繁多,其凝結硬化和強度產生的機理也會突破傳統混凝土的理論范疇,耐久性、安全性也有待研究論證。

  隨著技術不斷發展,未來甚至將出現巨型3D打印機,在現場打印出整棟建筑,類似雙龍門吊樣式的3D打印機主體結構,打印機可像塔吊一樣升降,在最上面布置若干可變位置的桁條,每根桁條上設置一只打印頭,根據面積大小布置十數只到數十只打印頭。建筑豎向結構可直接一層層往上打印,模塊化的結構鋼筋在現場用吊車吊到上面進行焊接組裝,打印頭可采用類似古代夯土墻的工具一樣夾著鋼筋網一層一層往上堆疊混凝土。一旦這種巨型打印機出現,將會為整個商品混凝土行業帶來巨大的改變,同時對于中小型的商品混凝土企業來說,也是一個巨大的挑戰,這種用于3D打印的混凝土技術更加復雜、質量要求更高。

  據公開資料披露,上海3D打印混凝土建筑采用的是玻璃纖維增強混凝土,其特點是抗拉、抗彎和抗裂強度比普通混凝土高,韌性和抗沖擊性能也比普通混凝土有所提高,因而廣泛應用于建筑外墻板、天花板、隔墻板等非承重構件,比如上海世博會法國館外表的白色混凝土網格,就是采用的玻璃纖維混凝土。

  從現有的3D打印混凝土技術發展趨勢看,未來普通混凝土在3D打印建筑原材料中所占的比例將會大幅下降,纖維混凝土、泡沫混凝土、輕骨料混凝土、水泥—樹脂基混凝土、聚合物混凝土、水玻璃混凝土等種類的混凝土將會得到更大規模應用,甚至可能出現新型材料混凝土。

  3D打印混凝土與傳統混凝土有所不同,由于3D打印沒有模板,它不但要滿足快速成型的要求,即從打印噴頭出來后快速凝結而向周圍流淌;又要滿足層層混凝土之間的緊密連接,而不至于產生冷縫,3D打印混凝土構件或建筑才是渾然一體的;此外還要滿足混凝土在管道內和噴頭內自由流動而不堵塞管道和噴頭。這三點便要求3D打印混凝土與傳統混凝土有所不同,其原材料和質量要求也不一樣。

  從膠凝材料來看,3D打印混凝土所使用的膠凝材料非常廣泛,是廣義上的混凝土,不是普通水泥混凝土。除了水泥,樹指、水玻璃、石膏、地聚合物等都可以作為3D打印混凝土的膠凝材料,其中地聚合物因為快硬早強的特點,是比較適合3D打印混凝土使用的。

  骨料,是混凝土中占比最大的材料,3D打印混凝土對骨料的要求比傳統混凝土更高。強度高、密度小、顆粒形貌接近球型的骨料是最適合3D打印混凝土使用的,同時3D打印混凝土建筑是由一層一層的混凝土堆疊而成,每一層混凝土都比較薄,加上3D打印機噴頭的結構復雜,因而要求混凝土中的骨料粒徑比傳統混凝土更小,骨料最大粒徑應在10mm以下。顆粒級配、含泥量、有害物質含量等指標要求更加嚴格。這些都是由3D打印混凝土的特殊性所決定。

  外加劑,在混凝土組成材料中占比最小,但是卻顯著改善了混凝土的性能,3D打印混凝土要求工作性能更高,在管道內具有優異的流動性,同時從噴頭出來后又能在空氣中快速凝結,因而必然要求外加劑具有多種功能,必須是一種復合型的超塑化劑。另外,3D打印混凝土所使用的材料復雜多樣,更要求其外加劑具有良好的適應性,形成3D打印專用。

  住宅工業化和信息技術的發展,使得新的建筑形式應運產生,這就是3D打印建筑。3D打印建筑一項非常復雜的系統工程,很好地繼承了制造業流水線生產和智能化制造的思路,徹底打破了建筑施工不能采用工業化生產的制約,為建筑工業化發展提供了無限的可能。實現3D打印混凝土建筑是住宅工業化發展的必然趨勢,是適應現代建筑技術發展的必要需求,同時也是提高整個建筑行業技術水平和技術創新的重要途徑。

  3D打印混凝土技術的發展,對商品混凝土行業既是一次機遇,也是前所未有的挑戰。只有堅持技術創新,緊跟建筑技術發展潮流,才能在未來的商品混凝土市場競爭中贏得先機,獲得持續健康的發展。

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