基于增材制造技術(shù)的建筑新材料

蘇東波，劉澤君

（1.中國船舶集團(tuán)國際工程有限公司，北京 100121；2.中國南方航空股份有限公司北京分公司，北京 102600）

增材制造（Additive Manufacturing，AM）融合了計算機(jī)輔助設(shè)計、材料加工與成型技術(shù)、以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫(yī)用生物材料，按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實(shí)體物品的制造技術(shù)。

1 增材制造技術(shù)及市場前景

1.1 國外、國內(nèi)市場現(xiàn)狀及前景

增材制造技術(shù)在20世紀(jì)80年代產(chǎn)生，起初只是一個非商業(yè)化的技術(shù)，近10年經(jīng)歷了飛速的發(fā)展，到2019年，全球增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)119．56億美元，增長率為29．9%，同比增長增加4．5%。據(jù)行業(yè)機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2023年，全球增材制造行業(yè)的總市值將達(dá)到327.8億美元，復(fù)合年增長率為25.76%。我國增材制造技術(shù)通過近三十年的發(fā)展，在基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵設(shè)備的自主研發(fā)、應(yīng)用領(lǐng)域的展都取得了豐碩的成果。目前，產(chǎn)業(yè)規(guī)模在2018年達(dá)到18.3億美元左右，增速維持在25%以上，同時提供增材制造服務(wù)的企業(yè)數(shù)量已經(jīng)超過500家。

1.2 增材制造技術(shù)

增材制造技術(shù)省去了傳統(tǒng)的加工需要的多道加工工序，在一臺設(shè)備上可快速精密地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，實(shí)現(xiàn)了零件“自由制造”，并且縮短了加工周期，而且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其優(yōu)勢作用就越顯著。增材制造技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一條完整的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，主要包括逆向工程、軟件提供商、服務(wù)提供商、系統(tǒng)提供商和材料五個部分。

1.3 增材制造材料

增材制造技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)是當(dāng)前技術(shù)條件可利用的增材材料，材料的性能決定了增材制造能否有更廣泛的應(yīng)用。目前增材制造的材料種類已從過去的塑料成型擴(kuò)展到了樹脂、石墨、陶瓷、金屬以及有機(jī)生物材料。我國增材制造市場的材料以樹脂、尼龍、PLA、鈦合金、不銹鋼等為主。

2 曲面外形的建筑及立面構(gòu)造解決方法

2.1 曲面外型的建筑

后現(xiàn)代主義建筑的興起、計算機(jī)非線性輔助設(shè)計的發(fā)展，國際上出現(xiàn)了多位以復(fù)雜曲面造型為設(shè)計風(fēng)格的建筑大師，比如扎哈·哈迪德、弗蘭克·蓋里、馬巖松等，他們的作品往往是城市的地標(biāo)，吸引大眾的目光，具有很強(qiáng)的商業(yè)宣傳效應(yīng)。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，生活水平提高，人們審美也有新的需求，各類復(fù)雜曲面的建筑也在各地不斷建設(shè)。

2.2 立面構(gòu)造解決方法

現(xiàn)有技術(shù)中，復(fù)雜曲面的建筑外型主要可通過以下方法實(shí)施：混凝土型體澆筑、板材拼貼、GRC掛板。這三種方法中，混凝土型體澆筑存在適用建筑類型有限，須采用內(nèi)保溫技術(shù)，存在安全隱患的問題；板材拼貼后的曲面效果不理想，曲面其實(shí)由小的平板構(gòu)成，有拼縫；GRC掛板為水泥制品，缺點(diǎn)是自重大，施工不便，后期有開裂可能。同時，以上三種方法在實(shí)踐中都難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化曲面造型，包括鏤空、浮雕等藝術(shù)效果。

3 基于增材制造技術(shù)的建筑裝飾曲面板

增材建筑裝飾曲面板經(jīng)多年研究、探索，結(jié)合材料選擇、施工技術(shù)、維護(hù)方法等因素綜合考慮，將具有復(fù)雜造型曲面的裝飾板在工廠利用增材制造技術(shù)（3D打印）設(shè)備預(yù)制完成，可實(shí)現(xiàn)以往技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)的藝術(shù)效果，并在表面做保護(hù)涂層，達(dá)到滿足防火耐候的要求。制作完成后，在施工現(xiàn)場通過節(jié)點(diǎn)塊、增強(qiáng)連接構(gòu)件與建筑鋼龍骨構(gòu)件連接，從而達(dá)到安全、美觀的效果，對目前的復(fù)雜曲面建筑藝術(shù)性的實(shí)現(xiàn)度將具有極大的提高。

具體構(gòu)造見圖1~圖4，其中：1-外殼保護(hù)涂層；2-曲面外殼；3-節(jié)點(diǎn)塊；4-增強(qiáng)連接構(gòu)件；5-鋼龍骨系統(tǒng)及建筑結(jié)構(gòu)（墻體）；6-插銷連接體；7-卡扣連接體；8-螺栓；9-調(diào)節(jié)桿；10-外殼底板支撐。

圖1 為實(shí)施例的效果示意圖，曲面外殼2在工廠內(nèi)由3d打印技術(shù)預(yù)制完成，如圖可以呈現(xiàn)鏤空、浮雕等藝術(shù)效果；表面通過噴涂或電鍍技術(shù)附著外殼保護(hù)涂層1，使其具備防火防腐耐候等性能；各曲面外殼之間通過插銷連接體6連接，縫間用建筑膠塞縫，增強(qiáng)連接可靠度。

圖1 效果

圖2 為實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，外殼底板支撐10在工廠與曲面外殼2同時一體打印成型，保證牢固可靠；也可在考慮成本造價的前提下，將外殼底板支撐10單獨(dú)制作生產(chǎn)，再與曲面外殼2通過焊接、膠粘、螺栓等方式連接為一整體。

圖2 結(jié)構(gòu)

圖3 為實(shí)施例的剖面圖，施工現(xiàn)場待預(yù)制完成的曲面外殼2進(jìn)場后，將增強(qiáng)連接構(gòu)件4與龍骨系統(tǒng)及建筑結(jié)構(gòu)（墻體）通過螺栓連接；再將節(jié)點(diǎn)塊3與增強(qiáng)連接構(gòu)件4通過螺栓8連接，如遇不規(guī)則墻面，可通過調(diào)節(jié)桿9進(jìn)行調(diào)節(jié)距離，保證曲面外殼2之間的插銷連接體6可以對位連接；最后將曲面外殼2背面的底板支撐10通過卡扣連接體7與節(jié)點(diǎn)塊3連接，將各曲面板縫間用建筑膠塞縫，增強(qiáng)連接可靠度。

根據(jù)節(jié)能保溫需要，可以在鋼龍骨系統(tǒng)與建筑結(jié)構(gòu)（墻體）之間增加保溫層，保溫層為EPS模塑發(fā)泡聚苯乙烯板、XPS擠塑發(fā)泡聚苯乙烯板、巖棉板等。

圖4 為實(shí)施例的平面圖，曲面外殼2可根據(jù)建筑外型需要及3d打印設(shè)備輸出能力確定制作尺寸，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)塊3、增強(qiáng)連接構(gòu)件4通過受力分析確定尺寸；卡扣連接體7、螺栓8、調(diào)節(jié)桿9等為標(biāo)準(zhǔn)件，各構(gòu)件設(shè)計、加工、施工階段精確對位，保證建筑復(fù)雜曲面外表面的施工完成度

圖3 剖面

圖4 平面

4 結(jié)語

增材建筑裝飾曲面板具有如下優(yōu)點(diǎn)：①將增材曲面外殼利用3d打印設(shè)備制作可生產(chǎn)目前技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜曲面板；②將增材曲面外殼在預(yù)制工廠內(nèi)完成，可控制面板質(zhì)量，安全生產(chǎn)有保障，減少工序，縮短施工周期；③表面覆蓋外殼保護(hù)涂層的建筑裝飾曲面板可達(dá)到國家相關(guān)防火要求，滿足防腐耐候要求，同時可根據(jù)需要調(diào)節(jié)色彩和質(zhì)感；④自重輕，與主體連接牢固，安全性強(qiáng)。