3D打印建筑的研究與設(shè)計(jì)

袁梓祥

浙江省天臺(tái)中學(xué)

3D打印建筑的研究與設(shè)計(jì)

袁梓祥

浙江省天臺(tái)中學(xué)

作為第三次工業(yè)革命重要標(biāo)志之一的3D打印技術(shù)日益成熟，逐步應(yīng)用在醫(yī)療、工業(yè)制造等各個(gè)領(lǐng)域?；炷潦钱?dāng)代建筑中使用量最大、范圍最廣、最經(jīng)濟(jì)的建筑材料，其發(fā)展僅有不到200年的歷史，卻已成為當(dāng)代社會(huì)使用量巨大的建筑工程材料，對建筑工程貢獻(xiàn)巨大。本文對3D打印混凝土技術(shù)的現(xiàn)狀和問題進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)3D打印混凝土技術(shù)的難點(diǎn)，并對其發(fā)展過程中碰到的問題提出解決辦法。

3D打??；打印混凝土；施工工藝

1 引言

混凝土是當(dāng)代建筑中使用量最大、范圍最廣、最經(jīng)濟(jì)的建筑材料，其發(fā)展僅有不到200年的歷史，卻已成為當(dāng)代社會(huì)使用量巨大的建筑工程材料，對建筑工程貢獻(xiàn)巨大。然而，傳統(tǒng)建筑技術(shù)會(huì)產(chǎn)生很高比例的建筑垃圾，據(jù)預(yù)測，中國每年20億m3以上的工程建設(shè)將持續(xù)10～15年，同時(shí)每年會(huì)產(chǎn)生約6億噸的建筑垃圾[1]。加之人力成本的增加，作為勞動(dòng)力密集的混凝土建筑行業(yè)將迎來一次巨大的挑戰(zhàn)。所以，需要一種新型的混凝土施工技術(shù)替代傳統(tǒng)的施工工藝。

目前，大量混凝土被廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代的建筑工藝現(xiàn)澆和預(yù)制拼裝建造上。但現(xiàn)澆工藝和預(yù)制存在明顯缺陷?，F(xiàn)澆施工大致需支模、澆筑、養(yǎng)護(hù)等過程，該過程中明顯存在施工周期長、耗費(fèi)人力資源以及建筑質(zhì)量難以保證的缺點(diǎn)。工業(yè)機(jī)械預(yù)制拼裝的工業(yè)化施工是利用混凝土裝配式、螺栓連接，這種施工存在薄弱部位，防水不好，抗震性能不好，容易產(chǎn)生局部破壞的巨大安全隱患。加上施工現(xiàn)場事故率高，工作質(zhì)量低，施工現(xiàn)場的控制不夠充分困難和熟練勞動(dòng)力正在消失的現(xiàn)狀，需要一項(xiàng)新的技術(shù)來解決并完善現(xiàn)有的施工方式。

3D打印技術(shù)在一系列的工程中對這類問題有很大的改善[2]。它在打印時(shí)具有立即成型，機(jī)械化，造型多樣，快速，節(jié)省工期等優(yōu)點(diǎn)，可以有效的利用起來解決這類問題。

2 3D打印技術(shù)的定義及發(fā)展

2.1 3D打印的定義

根據(jù)美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）3D打印技術(shù)委員會(huì)（F42委員會(huì)）公布的定義，3D打印是一種與傳統(tǒng)的制造技術(shù)完全不同的，以模型的三維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過打印機(jī)噴嘴擠出材料，逐層打印增加材料來生成3D實(shí)體的技術(shù)，因此又稱為添加制造（Additive Manufacturing）。

3D打印技術(shù)通過計(jì)算機(jī)建模軟件對要打印的模型進(jìn)行建模，再將建成的三維模型分成逐層的截面，通過特定的打印機(jī)逐層打印。

2.2 3D打印的發(fā)展

3D打印技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)中。生物醫(yī)療領(lǐng)域已使用3D打印技術(shù)成功地研制出了人造骨骼等人體組織器官，對生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有重大的作用；航天航空領(lǐng)域利用3D打印技術(shù)制造現(xiàn)狀復(fù)雜、尺寸微細(xì)、性能特殊的零部件、機(jī)構(gòu)直接制造，實(shí)現(xiàn)精細(xì)制造；個(gè)性化領(lǐng)域中，3D打印技術(shù)可應(yīng)用于珠寶、服飾、鞋類、玩具、創(chuàng)意DIY作品的設(shè)計(jì)和制造等；除此之外，3D打印技術(shù)還在模具制造、電子信息領(lǐng)域、汽車制造領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)。

3 3D打印建筑的優(yōu)點(diǎn)

3D打印建筑擁有極其快速的打印速度，是對建筑建造的一次巨大跨越，極大限度的縮短了工期，而較短的工期與簡單的施工方式意味著不再需要傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工的養(yǎng)護(hù)過程，一定的保障了建筑的質(zhì)量[5]。同時(shí)根據(jù)預(yù)設(shè)圖紙的打印以及計(jì)算機(jī)控制精確調(diào)整，減少了技術(shù)人員，以及大量勞動(dòng)力的必要需求。很好的應(yīng)對了未來的勞動(dòng)力成本上升與缺失的局面，讓建筑的施工過程更符合實(shí)際生活的期望。

3D打印建筑的整體性也在很大程度上使打印的建筑物更加抗震，在結(jié)構(gòu)上不存在工業(yè)預(yù)制拼裝所存在的連接處已損壞的問題。機(jī)械化的施工也保證了施工的質(zhì)量，減少傳統(tǒng)施工中技術(shù)人員和勞動(dòng)人員操作的誤差，使建造的過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

并且其多樣的造型更滿足于人們的心理需求和藝術(shù)素養(yǎng)，為建筑這一沉默的藝術(shù)實(shí)現(xiàn)更多元的發(fā)展。

4 3D打印建筑的發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

意大利研究者Enrico Dini（D-Shape打印技術(shù)發(fā)明者）發(fā)明了世界首臺(tái)大型建筑3D打印機(jī)，這臺(tái)打印機(jī)的底部有數(shù)百個(gè)噴嘴，可噴射出鎂質(zhì)黏合物，在黏合物上噴撒砂子可逐漸鑄成石質(zhì)固體，通過逐層地黏合，最終形成石質(zhì)建筑物，并成功使用建筑材料打印出高4米的建筑物。

在此基礎(chǔ)上，Enrico Din與荷蘭建筑師Janjaap Ruijssenaars一同合作，欲用此3D建筑打印機(jī)打印建設(shè)一座“莫比烏斯環(huán)”狀的建筑物，用以參加歐洲的3D打印比賽。

美國宇航局（NASA）與美國南加州大學(xué)的Behrokh Khoshnevis教授[6～8]合作研發(fā)出“輪廓工藝”3D打印技術(shù)，能夠在24小時(shí)內(nèi)打印出約232 m2的兩層樓房。輪廓建筑工藝是使用3D打印技術(shù)進(jìn)行建筑建造的一種工藝，包括輪廓打印系統(tǒng)（Extrusion system）和內(nèi)部填充系統(tǒng)（Filling system）兩部分，其原理是先進(jìn)行外部輪廓的打印，之后向內(nèi)部填充材料，形成混凝土構(gòu)件。同時(shí)，他們在探索將3D打印混凝土技術(shù)應(yīng)用于太空基地的建設(shè)[3～5]。

英國拉夫堡大學(xué)的研究者們在首先進(jìn)行了材料的配合比設(shè)計(jì)，然后使用其設(shè)計(jì)的3D混凝土打印機(jī)打印出構(gòu)件，并對新拌混凝土和硬化混凝土的各項(xiàng)性能進(jìn)行了測試。他們對打印混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱面的力學(xué)性能等均進(jìn)行了測試，但是打印出來的混凝土結(jié)構(gòu)表面非常粗糙，仍然需要在材料和施工工藝上進(jìn)行改進(jìn)[6]。

4.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

在中國上海青浦出現(xiàn)一批3D打印房屋。其研發(fā)者馬義和使用回收的建筑垃圾與玻璃纖維作為打印原料，此次工程并非傳統(tǒng)的3D打印，而是通過人工現(xiàn)場組裝3D打印機(jī)打印出的房屋結(jié)構(gòu)部件而完成的。其在24小時(shí)內(nèi)完成了10幢200平方米建筑“打印”[7]。

5 3D打印建筑的難點(diǎn)

5.1 材料

現(xiàn)有的3d打印建筑“油墨”是一種經(jīng)過特殊玻璃纖維強(qiáng)化處理的混凝土材料，3d打印的新拌混凝土的需具備的性能包括可擠出性、工作性和可建造性。目前，大多數(shù)研究者采用在高標(biāo)號混凝土中添加聚丙烯纖維的做法來提高結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，沒有探究更廣泛的材料，設(shè)計(jì)更合理的配比，混凝土從噴嘴擠出后不能立即成型，結(jié)構(gòu)表面仍存在明顯的層狀紋理，且相鄰打印層之間的接觸面薄弱[8]。

混凝土要具有較好的可擠出性?；炷烈獫M足3D打印的可擠出的條件，噴嘴尺寸、混凝土配比和骨料最大粒徑的選擇影響混凝土的可擠出。

混凝土要具有可控的凝結(jié)時(shí)間?；炷列枰哂辛己玫目山ㄔ煨院凸ぷ餍?，通過添加速凝劑可以使混凝土快速凝結(jié)，但同時(shí)要避免混凝土過早凝結(jié)堵塞噴嘴。

解決打印層接觸面薄弱的問題?；炷恋挠不阅芤獫M足實(shí)際工程的要求，要考慮抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和干縮系數(shù)等方面，以及打印層之間的接觸面粘結(jié)薄弱的問題[9]。

5.2 結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段的3D打印混凝土技術(shù)只適用于低層結(jié)構(gòu)，混凝土達(dá)到一定高度后會(huì)出現(xiàn)坍塌的現(xiàn)象?，F(xiàn)階段用于打印的混凝土沒有采用粗骨料，打印出的結(jié)構(gòu)沒有考慮配筋，且結(jié)構(gòu)形式單一。

5.3 打印機(jī)械

3d打印機(jī)械包括設(shè)備的設(shè)計(jì)問題和打印精度的不高的問題等?，F(xiàn)階段，3D打印技術(shù)在飛速發(fā)展，但是現(xiàn)存的3D打印設(shè)備不能移動(dòng)，且僅適用于低層小面積結(jié)構(gòu)，且都在打印設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行打印。同時(shí)，現(xiàn)存的3D打印設(shè)備的精度還不足以滿足實(shí)際工程的應(yīng)用。

6 3D打印混凝土的創(chuàng)新

6.1 打印材料的創(chuàng)新

在配合比設(shè)計(jì)方面，3D打混凝土技術(shù)需要有新的配合比理論來支持。3D打印所需要的混凝土已經(jīng)不同于傳統(tǒng)的混凝土，混凝土各項(xiàng)性能發(fā)生了巨大變化，不是簡單的水灰比、砂率等所能決定，其硬化、收縮性能發(fā)生根本性改變，這就需要我們重新設(shè)計(jì)混凝土配合比。

針對于混凝土打印機(jī)噴嘴不宜設(shè)計(jì)過大的特點(diǎn)，混凝土中骨料的最大粒徑要小于噴嘴尺寸的1/3，才能保證混凝土通過噴嘴時(shí)不發(fā)生堵塞。

外加劑可以顯著提高混凝土的性能，實(shí)現(xiàn)混凝土在泵送中良好的流動(dòng)性，通過噴嘴后立即成型，即初凝時(shí)間可控的問題，在對混凝土外加劑進(jìn)行比選的過程中，得到滿足3D打印要求的外加劑。為了保證混凝土在管道中的流動(dòng)性，需要添加一定量的減水劑，為了讓混凝土從噴嘴擠出后可以快速凝結(jié)，需要在擠出的同時(shí)添加一定量的速凝劑，縮短混凝土的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間。

6.2 打印結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新

打印結(jié)構(gòu)方面，我們可以在利用新型的輪廓工藝上把兩片批灰刀分置于噴嘴兩側(cè)即是在打印墻體內(nèi)外部上。使內(nèi)外側(cè)墻體的表面趨于平整，減少在內(nèi)部表面進(jìn)行填充縫隙再貼上瓷磚，木板之類的墻飾。故障避免二次打印出現(xiàn)的故障或問題。再在最后可調(diào)節(jié)的批灰刀進(jìn)行精確的位移操作利用計(jì)算機(jī)控制再對上表面進(jìn)行修葺。

并且對于上表面的處理上，從建筑的穹頂?shù)玫絾l(fā)在替代預(yù)制模板支模的施工過程中，利用這種古老的建造智慧，來實(shí)現(xiàn)無支模的屋頂3D打印建造。在依托于穹頂樣式的屋頂3D打印上，以此作為所知的“模”完成整個(gè)建筑的打印，由于房屋打造的完全是一個(gè)整體故可以很好的解決工業(yè)預(yù)制拼裝在接頭處穩(wěn)定性、抗震性等各項(xiàng)安全性能上的問題。

6.3 打印機(jī)械的創(chuàng)新

美國南加州大學(xué)在3D打印建筑，打印過程中的輪廓不平整的問題上提出用輪廓工藝Contour Crafting（cc），這個(gè)工藝僅在打印混凝土外側(cè)設(shè)置批灰刀，通過改進(jìn)其方法，在打印機(jī)的噴嘴上加固兩個(gè)類似于批灰刀的裝置，從而在混凝土噴出打印的過程中自動(dòng)化有效且的簡便的抹平由于混凝土自生性質(zhì)的而導(dǎo)致的表面不平整問題。

由于完成上述打印對于打印機(jī)有靈活性上有很高的要求，所以在打印機(jī)械上選擇六軸機(jī)械臂打印機(jī)。利用大型吊臂和多節(jié)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)組織來完成這項(xiàng)靈活，精密度極高的施工操作活動(dòng)。在定位系統(tǒng)上可以依照工業(yè)機(jī)械臂精確性的特點(diǎn)利用傳輸紅外線信號來進(jìn)行精確定位以及利用計(jì)算機(jī)控制兩片批灰刀的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)在表面處理上的完善，從而達(dá)到預(yù)期效果。實(shí)現(xiàn)3D打印建筑的要求。

但由于混凝土自身材料上的限制，混凝土抗壓不抗拉，是一種各向異性的材料。因此除了在材料上加入一些纖維外我們?nèi)孕枰谑┕み^程中在其間利用鋼筋，即傳統(tǒng)的鋼筋混凝土材料來搭建房屋?？梢钥紤]采用鋼筋接駁器進(jìn)行自動(dòng)化安裝，過程如圖1所示。

圖1 鋼筋接駁器

圖2 拼裝電線

6.4 內(nèi)部構(gòu)造

針對于內(nèi)部的電線和水管，考慮采用拼裝的方式，如圖2所示?；蛘卟捎梅謽?gòu)件的打印方法，在打印混凝土結(jié)構(gòu)的同時(shí)打印電線（金屬）和水管（塑料）。

7 結(jié)論與展望

隨著3D打印技術(shù)的逐漸發(fā)展，建筑以后只需在材料模型完成的基礎(chǔ)上完成極短時(shí)間的打印。甚至將房屋內(nèi)部排水、通氣、通電等基礎(chǔ)設(shè)施一并打印，在材料上也無需利用鋼筋混凝土而可以直接打印成型并具有有良好的整體性以及各項(xiàng)設(shè)施完善。打印機(jī)愈迷你小巧，減少其成本，并在實(shí)際生活的基礎(chǔ)民工建中逐漸趨于普及

利用建筑3D打印的快速建造優(yōu)勢，可在地震、臺(tái)風(fēng)、泥石流、海嘯等自然災(zāi)害后快速進(jìn)行災(zāi)后安置工作，可在最短的時(shí)間內(nèi)將受災(zāi)群眾安置于簡單的災(zāi)后避難所，大大降低了災(zāi)后的損失。并且利用建筑3D打印技術(shù)，還可以利用災(zāi)后的大量建筑垃圾，就地取材，做到在短時(shí)間內(nèi)修建起大量的災(zāi)后用房，提高災(zāi)民的生活品質(zhì)，快速進(jìn)行災(zāi)后重建工作。

3D打印技術(shù)在未來可以把此優(yōu)勢推廣及高樓建筑之上，使建造高樓時(shí)對周邊的危險(xiǎn)和影響大大降低。并且3D打印的快速成型和結(jié)構(gòu)形式任意性的特點(diǎn)，可以把人類在任意地形下的建筑建造的實(shí)現(xiàn)提供了可能，房屋的建造不再受限制于下墊面因素亦或是地形地貌和地表植被，水下板塊面凹凸不平把建筑打印到各個(gè)地方。甚至讓古巴比倫的“空中閣樓”得以實(shí)現(xiàn)。

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