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2020年建筑3D打印技术与应用发展报告

三维-小维尼
2021-06-15 14:24:08

一、概述

3D打印技术是上世纪80年代开始兴起的一种快速成型新制造技术,是一种以数字模型文件为基础,运用计算机自动控制技术,将打印材料通过逐层打印的方式构造物体,最终把计算机上的蓝图变成实物。其具有数字化、智能化、机械自动化等特点。建筑3D打印其本质上是综合利用管理、材料、计算机与机械等工程技术的特定组合完成工程建造的技术。在建筑功能化、结构造型复杂化、规模扩大化的建筑要求下,传统的施工技术和方法是难以满足和实现的。与传统建筑业相比,3D打印技术可采用工业化的生产方式,减少了劳动力的投入,提高了效率,缩短了生产建设周期,同时在建造过程中防止了环境的大面积破坏。

住建部发布《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》,规定“积极开展建筑业3D打印设备及材料的研究。结合BIM技术应用,探索3D打印技术运用于建筑物品、构件生产,开展示范应用”。3D打印混凝土建筑目前在国内还处于起步阶段,国内高校、研究院联合建筑单位正在研制和开发3D打印建筑技术,从建造逻辑、结构形式、建造技术方面与传统建造方式进行对比,理论上分析论证了3D打印建筑技术的可行性和应用趋势;3D打印技术在建筑业应用中的应用现状,依据问题和局限提出相应的应对策略,以其技术优势分析其应用趋势。

二、我国建筑3D打印技术应用进展

近年来,3D打印技术在机械制造、航空、医疗等领域得到广泛的应用,并且逐渐拓展至建筑领域。3D打印技术能够有效解决建筑传统施工中存在的手工作业多、模板用量大、复杂造型难以实现等问题,并且在建筑个性化设计、智能化建造等方面具有显著优势。

众多科研院所和企事业单位开始了对建筑3D打印技术及材料的研究,推动了我国建筑3D打印技术的快速发展,在国内相关政策的支持下开始追赶欧美等国。国内也有一些企业开始在建筑3D打印领域涉足和发力。2014年4月中国盈创(上海)建筑科技有限公司首先通过建筑3D打印技术在上海张江高新青浦园区内打印了10幢建筑,截止2020年该公司已经利用建筑3D打印技术完成了别墅、公寓楼、简易房屋以及其他一些用途的结构体的打印,取得了具有影响力的成绩;2019年11月,中建技术中心完成了国内首例原位2层办公楼的打印,取得了开创性的成绩;北京陆海华商有限公司利用改进滑模工艺,打印了别墅项目,其打印工艺使用含粗骨料的打印混凝土,并在打印墙体中设置了竖向钢筋网片,打印成果也具有很好的示范意义。另外,辽宁格林普3D打印公司开发了大型3D打印机,使用C30混凝土打印了配电房等建筑;南京嘉翼在3D打印公共设施、景观构件等方面进行了探索,取得可喜进展。除此之外还有中铁、建研华测(杭州)、河南太空灰三维建筑科技有限公司等一些企业单位都对建筑3D打印设备、材料进行研究,在应用探索方面投入大量精力。

在实际建造中,建筑相对于其它工业产品具有较大尺度,相对于传统建造技术,3D打印技术的成本高昂,使得3D打印技术还仅局限于使用在建筑模型的制作中。所以,3D打印技术在建筑领域的应用门槛关键在于成本,但相信这一门槛的跨越只是时间问题。建筑3D打印技术与现有施工技术是互补的、相互依靠的关系。今后的发展趋势不是建筑3D打印技术去替代现有的施工技术,而是对现有施工技术的一个强有力的补充。3D打印技术无疑将推动制造业的数字化发展,相信在3D打印的世界里,建筑师、工程师和建筑工人将借助科技之力,将建筑与3D打印结合,完成对现有建筑技术的再造。

图1 打印工艺流程

混凝土3D打印工艺原理是将建筑的图形设计模型转化成三维的打印路径,利用打印系统将凝结时间短、强度发展快的混凝土精确分层布料,逐层叠加累积成型,实现免模板施工。打印系统由混凝土输料系统、混凝土布料系统、打印路径控制系统组成。三个系统在计算机控制下协同工作,实现施工过程的智能化。

混凝土3D打印是一种免模板的施工工艺,通过打印头挤出成型后的混凝土既是结构主体,其自身也相当于一层混凝土模板。如果打印的结构为中空,待打印混凝土硬化后可以填充普通混凝土或砂浆等其他材料,外层打印的混凝土成为了免拆的永久模板。

在应用方面,混凝土3D打印技术除了打印一般房屋建筑的用途外,另外一个潜在的应用途径就是打印经过设计师设计的特殊形状的市政公共设施、景观部品,甚至是大型的混凝土雕塑轮廓,这些特殊的应用也能够体现出混凝土3D打印的特点和优势。同时,市政景观部品和设计的特殊造型的构件一般要求具有一定的色彩和装饰效果,一般水泥的颜色比较单调,而彩色3D打印混凝土能满足这样要求。

1. 3D打印房屋

通过3D打印来打印建筑是建筑3D打印技术一个最重要的应用方向。建筑3D打印目前一般按照建筑设计三维模型打印墙体的外轮廓,中间通常为中空,墙体的打印外壳可以作为模板,中间填充混凝土或保温材料。

图2 3D打印建筑中空墙体
图3 3D打印建筑墙体

近几年来,随着3D打印技术研究的不断深入,3D打印建筑的应用示范项目也逐渐增多,原位两层建筑的打印项目在国内外开始出现,装配式3D打印建筑也不断增多。图4-图8是国内比较典型的3D打印建筑项目,这些项目的应用示范,促进了建筑3D打印技术发展和完善。

图4 广东3D打印2层办公楼(左)图5 办公楼内部结构(右)

图4、图5是2019年11月我国第一个基于“轮廓工艺”原位3D打印完成的2层办公室项目,采用了框架式3D打印机,主体墙体3D打印,梁板结构预制,墙体主体打印时间约60小时,打印效率效果良好,体现了3D打印无模施工工艺的优势。

图6 滑模工艺3D打印别墅
图7 装配式3D打印中式庭院(左)图8 装配式3D打印公寓(右)

图6为采用滑模工艺打印的双层别墅,由含有15mm的粗骨料混凝土打印而成,打印墙体为实心,打印过程中通过打印头的设计直接将竖向钢筋植入墙体,解决了3D打印竖向钢筋配制难的问题。图7、图8为盈创建筑科技公司打印的墙体构件,通过装配搭建而成了中式庭院、多层3D打印公寓项目。

2. 3D打印桥梁主体结构及辅助构件

混凝土3D打印不仅在房屋建造中应用,也很适合在轨道桥梁工程中进行应用,特别是非常适合打印桥梁工程、市政轨道工程中墩柱的模板。

图9 3D打印步行桥面(左)图10 3D打印步行桥落成(右)

图9和图10所示为3D打印步行桥构件,然后通过现场安装并张拉预应力搭建了一座步行墙,打印效果良好,设计美观。
 

图11 3D打印步行拱桥图(左)图12 3D打印缩版赵州桥(右)

图11为清华大学设计并打印构件拼装完成的一桩拱形步行桥项目,图12为河北工业大学打印的缩比例赵州桥,这两座拱形桥梁都是采用了3D打印构件模壳,然后灌注混凝土,最后拼装完成。

图13 3D打印桥梁围栏(左)图14 桥梁围栏(右)

3D打印不仅可以打印桥体的构件模壳,还可以打印桥梁的围护栏杆构件,具有良好的强度和耐久性。
 

图15 传统桥墩模板(左)图16 3D打印桥墩模板(右)
图17 轨道交通支柱(左)图18 3D打印圆形模版(右)

相对墙体本身结构的打印,混凝土3D打印更适合打印一些桥梁工程、市政轨道工程中的异形墩柱的模板,可以节省大量的模具费用并且可以降低造价,打印的模壳作为永久结构部分不必拆除,对桥梁支柱可以起到良好的保护作用。

3. 3D打印公共设施

城市中的公共设施建筑一般具有小型化、多样化的特点,建筑3D打印针对这样的小型建筑的建造相较传统制模具有很大的优势。既可以满足快速制作,又可以根据设计进行专业化的定制,具有良好的应用前景。图19至图26为建筑3D打印技术可以进行的一些公共建筑的打印示范。

图19 3D打印卫生间(左)图20 成品可移动卫生间(右)
图21 3D打印垃圾分类点(左)图22 3D打印凉亭(右)
图23 3D打印圆形构件图(左)图24 3D打印茶水台设计(右)
图25 3D打印警卫厅(左)图26 3D打印卫生间小屋(右)

这些打印的公共设计一般体积小、可以进行吊装移动,根据城市不同位置的需求进行打印预制,然后直接搬运到现场使用。

4.3D打印大型景观构件

3D打印在异形曲线路径的打印上具有独特优势,通过混凝土3D打印可以制作一些景观雕塑、小品,再进行后期的表面处理提高作品的表观质量,可以在美丽城市、人文城市的今天大有作为。3D打印工艺也可以实现建筑师的大胆设计,降低传统石材雕刻对环境的污染,节能环保。图27至图32为一些适于3D打印的大型景观构件。

图27 可打印景观小品(左)图28 3D打印景观小品(右)

5. 3D打印装修围护结构

建筑3D打印技术可以打印一些定制图案的围护墙体、多功能的绿植墙体,甚至是河岸工程中的护堤墙块,具有免模板,快速高效特点。图33至图40是打印或者针对3D打印进行设计的装饰构件及围护结构。

图33 3D打印围护构件(左)图34 3D打印景观墙(右)
图35 3D打印围栏(左)图36 3D打印围护绿植墙设计(右)
图37 3D打印围护墙体(左)图38 打印曲面异形墙体(右)
图39 3D打印堤坝围护结构(左)图40 可3D打印的景观墙体(右)

6. 3D打印异型小品构件

利用3D打印技术可以打印公园里的休闲桌椅、树池花池以及一些宣传性的艺术字体。这些构件通过定制模板一般是很难完成或者成本很高,但是通过3D打印技术只需要根据设计图纸进行三维建模,然后将设计的图形导入打印机打印出来即可完成。图41至图44是打印和设计的公园功能结构小品和宣传艺术字体。

图41 3D打印长椅(左)图42 3D打印桌子(右)
图43 3D打印躺椅(左)图44 3D打印公园桌椅(右)

三、国际建筑3D打印技术应用进展

美国、欧洲率先开展了建筑3D打印技术应用探索,利用多种类型的3D打印设备,陆续打印出大量景观构件、单层房屋等。近两年来,建筑3D打印技术应用的发展逐渐由我国相关研究院所和企业引领,国际上大型3D打印建筑项目相关的报道较少。

美国Apis Cor公司为阿联酋迪拜市政府完成了一座两层行政大楼墙壁结构的3D打印(图57-图58)。这栋办公楼高9.5米,总面积640平方米,混凝土墙体由一台3D打印机打印而成。由于建筑总面积大于3D打印机处于静止状态时可达的打印面积,因此打印机需要通过起重机在施工现场移动,来打印所有的墙体。整个施工过程都是露天的,这意味着无法控制场地温度、湿度等环境因素,3D打印材料的开发与测试都在恶劣的天气条件下进行,可满足露天施工的需求。

丹麦Cobod International公司开发出了大型3D打印设备,可打印长度27米、宽度12米,高度9米的建筑物,希望利用该设备实现楼房的原位打印,目前该设备尚未实施打印实际建筑试验。

苏黎世联邦理工学院采用数字化技术,设计建造了三层楼的DFAB House(图59),该建筑占地面积约200平方米,位于一座名为NEST建筑的最上层,客厅内装有采用3D打印模板铸造的混凝土天花板以及由建筑机器人创建的弧形混凝土墙,是首个结合智能家居和3D打印的大尺寸人居项目。

虽然近两年国际上建筑3D打印大型应用项目较少,但美国、欧洲在3D打印设备、材料等方面的基础研究仍较我国有一定优势,3D打印分会将利用协会平台,组织会员单位通过参加国际学术会议和前往国际优秀设备和应用企业调研交流,促进我国建筑3D打印行业的快速发展。

四、建筑3D打印技术展望

3D打印在建筑行业的应用有很多优点:

较低的成本。打印建筑构件可有效避免材料存储成本,也可充分利用建筑垃圾等,形成资源循环利用;3D打印建筑工期短,所需的劳动力少,劳工成本低。

塑形能力强。适合异形混凝土构件的建造,可以实现中空、镂空制作,实现传统技术无法实现的形状。

环保性强。构件提前预制,建筑安装工程产生的建筑垃圾和灰尘等比传统方法少。

3D打印技术是一个多学科跨界融合的技术体系,包括建筑模型的数字化、结构设计、混凝土材料、适应建筑大体量特点的智能打印系统、混凝土体内或体外钢筋增强、整体打印或打印构件部品装配式建造技术等,其复杂性不言而喻。3D打印建造的研究和应用推进,将加快我国工程建设的装配化、机械化、智能化和绿色化为特征的建筑产业现代化的发展步伐,助推我国经济转型升级。虽然目前在实体建造的相关基础性研究和工程应用中也略显不足,但3D打印建造发展潜力巨大。我们亟需明确其发展方向,理清其发展思路,制定其发展战略。3D打印机技术虽然是一个新技术,但是它在继承传统的3D打印机技术以及工艺的基础上也有相应新的要求。建筑3D打印虽然拥有广阔的应用前景,但目前还处于探索阶段,在打印材料、打印方式、打印设备、结构体系、设计方法、施工工艺和标准体系等方面存在着一些问题需要解决。

(1)3D打印建筑采用混凝土制品逐层叠加的构件表面粗糙程度不均匀,观感程度低,使得建筑的美学效果降低。而且建筑构件尺寸要求不一,对相应的打印机要求也不一样,基于打印机的构造及工作原理,会限制其应用范围。另一方面,3D打印建筑物具有不可逆性,对打印机的打印过程具有严格要求,这增加了高要求打印建筑精度的技术操作难度。当然,工艺上的限制可通过小型机器或装配式建筑等方式得以解决,与传统方式相比,还是有相对的优点可以采纳。

(2)3D打印建筑在我国还未有相关的具备执行力的行业规范。虽然3D打印建筑可相对参考建筑规范的楼层高度、平面布局、构件尺寸、管综排布等规范要求,可是涉及到材料强度要求、安全可靠性、荷载强度、抗震减震等领域的实际要求,却没有相对的参考借鉴指标。新技术、新材料的出现都需要一定的发展时期以形成行业规范,这需要逐步建立3D打印建筑在设计方法、施工工艺、验收标准等方面的相关标准体系。

(3)3D打印材料。目前所采用的材料均为水泥、纤维等的混合物,既要满足材料强度要求,又要具有良好的和易性,且还需要满足打印过程材料快速凝结的性能要求。基于3D打印过程“逐层叠加”的原理,打印材料层层堆积,若凝结不及时,下层材料未达到足够的强度和承载力,会造成上层材料堆积变形,从而影响精度。研究出具有抗拉性能高、韧性强、抗裂性能好且初凝时间较快、初凝强度适宜的打印材料是发展3D打印建筑技术的关键一步。

(4)3D打印与BIM技术的融合

BIM(建筑信息模型)的逐渐应用,相信电脑中的建筑模型完全可以与3D打印机衔接。参数化设计、异形建筑形体或局部复杂,用传统的设计软件、图纸、施工技术难以精确表达。随着3D打印技术的发展,可打印材料增加、可打印体量变大和成本降低,可以直接打印出建筑装饰构件,再运输到施工现场安装拼接,甚至可以打印具有足够强度的结构构件。制造企业有非常明确的生产制造工艺流程,虽然建筑工程行业的建造过程有点混乱,但未来会消除这种混乱,建造一栋建筑,就像现在制造企业生产一种产品一样,有了3D打印技术,其流程会更加精良,会更加完善。在3D打印技术面前,未来的一个大体量建筑,其建造施工将与一个生产制造企业生产一架飞机和汽车一样,两者不会有太大的差别。

建筑3D打印技术作为一项高新制造技术,相较传统建造技术工艺,在建筑施工效率、人力节省、资源环保等方面有着明显技术优势。3D打印建筑无需模板施工,一次成型减少资源消耗,避免因返工和因尺寸差别而导致的资源浪费。同时,3D打印技术的具有设计自由、建造精确特点,这为建筑师的设计工作提供了更大的空间与更好的条件,借助CAD软件,通过3D打印,实现各种复杂、创意设计。目前在材料、设备、施工技术等条件下,3D打印技术在建筑施工领域的应用暂时适合在部分轻量级建筑、景观小品、构件中进行的技术试验和应用。随着技术的不断成熟,逐渐拓展其应用范围。

3D打印建筑技术在环保、施工技术、建筑业发展等方面具有的重要价值与意义。建筑3D打印虽然拥有广阔的应用前景,需要建立3D打印建造材料体系、3D打印建造设备体系、3D打印建造标准体系以及3D打印建造示范工程体系。同时,通过不断的创新和完善使其能够与传统的建造技术完美的融合,互为补充是建筑3D打印技术发展的一个重要方向,促进建筑业转型升级,并与建筑可持续发展紧密结合。

消息来源:中国混凝土与水泥制品协会

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