3D打印建筑成为智能建造“新蓝本”

中建二局供图

随着装配自动喷嘴的“3D打印机”不间断喷注施工建材,仅需3天,5~6名工人配合就可以完全建造好一栋建筑面积230平方米、总高度7.2米的双层办公楼。“吃进去”原材料,可以“吐出来”一栋楼?这看似不可能的事情,在3D打印技术下已成为现实。

“打印机内装有特殊的混凝土混合物‘打印材料',与电脑连接后,通过电脑控制把‘打印材料'一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。”中建二局华南公司阳光智造公司负责人告诉记者,3D打印房屋没有原料的浪费,工业垃圾少,在很大程度上降低了工程总造价,由于原材料是高强度混凝土,生命周期可以达到50年。

房子可以打印,水电站竟然也可以打印。

在青藏高原的黄河羊曲水电站大坝施工现场,建筑机械来回穿梭。两年后,这里即将诞生全球最大的3D打印工程。羊曲水电站项目首席科学家、清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室副研究员刘天云告诉记者,该项目通过电脑模型将大坝“切片”,分解成很多不同的建设步骤,并在每个步骤研发相应的机器人,一层层地完成作业,一步步从整体上实现3D打印的效果。“水电站的大坝属于柔性结构,它的稳定性主要依靠材料之间相互接触、挤压产生的摩擦力。”刘天云解释说,因此,即便没有了钢筋的支撑,一层一层“打印”而成的大坝依然具有很强的稳固性。

3D打印技术类似于在纸上打印文字,但不同之处在于它可以将作为“墨水”的原材料一层一层喷到打印的路径上,从而让原材料本身积累起来,完成从二维平面到三维立体形状的转变。3D打印建筑最明显的优点之一是速度快。建造一座约46平方米的单层住宅只需要24小时的打印时间。3D打印不仅节约时间,而且取消施工模具,减少了建筑垃圾和建筑粉尘,节省了建筑材料,实现节能减碳。

“这一技术的优势在于省人力、高效率、造价低,不同于传统建造,建筑师使用这一技术可以建造前所未有的曲面、形状,给设计创造了更多可能性。”清华大学建筑学院教授徐卫国表示,目前我国仍有大量房屋及基础设施需要建设,像3D打印这样的智能建造方式既能弥补劳动力资源短缺的问题,又能避免建造过程受人为因素影响,使建造过程更加标准化、精细化、智能化。

尽管3D打印建筑相比传统建筑具有强度高、建筑形式自由、更加环保节能等优势,但作为一种新型技术,仍有很长的路要走。

与普通的3D打印技术相比,混凝土的3D打印技术难度更大,对建筑材料的要求更高。首先要保证混凝土在打印过程中能够顺畅流动,这样才能顺利进出打印机,不会堵塞。其次从打印机挤出的混凝土必须能够快速硬化并变得足够坚固以承受后续层。在满足上述要求的基础上,还需要使这些层之间达到足够的附着力,紧密连接使建筑浑然一体。

在打印设备方面,目前的3D打印混凝土设备还不能够完全满足其应用环境的特殊性的要求,只能满足平面扩展阶段,可用于低层大面积建筑的建设,而对于高层建筑还无法进行打印。此外在行业法规方面,作为一种新型技术,3D打印混凝土特殊的配合比设计和多样的施工工艺,导致了其标准与规程存在较大的困难。用3D打印技术所生产的建筑,其防火性能、隔音性能、环保性能等目前还没有相应的行业标准。

从“搬砖砌墙”到“3D打印”,这是施工建造从机械化迈向智能化的探索,也是用科技创新推动高质量发展的生动实践。尽管尚不成熟,但它为建筑工业化的发展提供了更多可能。

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