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11月17日下(xia)午，一棟7.2米高的(de)(de)雙(shuang)(shuang)層(ceng)辦公樓(lou)在中建(jian)(jian)二局廣東建(jian)(jian)設基地拔地而起，這(zhe)棟并不(bu)高的(de)(de)建(jian)(jian)筑物吸引了業界(jie)驚嘆的(de)(de)目光。原來(lai)，這(zhe)座(zuo)建(jian)(jian)筑物的(de)(de)主體結構是(shi)現場(chang)“打印(yin)”出(chu)(chu)來(lai)的(de)(de)，中建(jian)(jian)機械(xie)制造(zao)的(de)(de)建(jian)(jian)筑3D打印(yin)機就是(shi)它(ta)的(de)(de)“建(jian)(jian)造(zao)者”。這(zhe)座(zuo)被“打印(yin)”出(chu)(chu)來(lai)的(de)(de)辦公樓(lou)是(shi)“世(shi)界(jie)首例原位3D打印(yin)雙(shuang)(shuang)層(ceng)示范建(jian)(jian)筑”，標志著原位3D打印(yin)技術在建(jian)(jian)筑領域取得突破性(xing)進展。
打(da)印頭繞著圈圈吐材(cai)料
“3D打(da)印(yin)建(jian)筑(zhu)的基本原(yuan)理(li)與一般打(da)印(yin)機一樣，要有打(da)印(yin)機體、噴頭、油(you)墨、紙(zhi)張。”中國建(jian)筑(zhu)技(ji)術中心材料工程研究所所長助(zhu)理(li)霍亮介紹說。
如果把(ba)建(jian)筑(zhu)四周搭建(jian)的金(jin)屬框(kuang)架視作打(da)(da)印(yin)(yin)機(ji)的機(ji)體，那么噴(pen)吐混凝土(tu)的打(da)(da)印(yin)(yin)頭(tou)就(jiu)相當于一般(ban)打(da)(da)印(yin)(yin)機(ji)的噴(pen)頭(tou)，但它噴(pen)出的“油墨”卻(que)不是一般(ban)的混凝土(tu)，而是需(xu)要特別配制的3D打(da)(da)印(yin)(yin)建(jian)筑(zhu)噴(pen)吐混凝土(tu)。
3D打(da)印建(jian)筑噴(pen)吐(tu)混凝(ning)土(tu)和傳統(tong)施工澆筑混凝(ning)土(tu)一樣，要(yao)一次完成，不能(neng)(neng)間(jian)(jian)斷。打(da)印頭通過一圈(quan)一圈(quan)連續噴(pen)吐(tu)寬(kuan)5厘米、厚(hou)2.5厘米的(de)(de)打(da)印材(cai)(cai)料(liao)，經過層(ceng)(ceng)層(ceng)(ceng)堆積建(jian)造墻面(mian)。如果(guo)下層(ceng)(ceng)混凝(ning)土(tu)砂(sha)漿凝(ning)結(jie)(jie)慢，沒有形成足(zu)夠(gou)的(de)(de)硬度，就無法支撐(cheng)上層(ceng)(ceng)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)重量(liang)，導致墻面(mian)變形甚至垮塌；如果(guo)凝(ning)結(jie)(jie)太快，又會出(chu)現和上層(ceng)(ceng)材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)黏(nian)合(he)問題。“我們通過反(fan)復試驗，在一般(ban)的(de)(de)混凝(ning)土(tu)砂(sha)漿中添加(jia)了(le)外(wai)加(jia)劑，通過調節材(cai)(cai)料(liao)黏(nian)稠度和凝(ning)結(jie)(jie)時間(jian)(jian)，終(zhong)于開發出(chu)了(le)3D打(da)印所需要(yao)的(de)(de)混凝(ning)土(tu)，而且它的(de)(de)強度能(neng)(neng)達(da)到C40-C60，完全滿足(zu)建(jian)筑強度的(de)(de)要(yao)求。”霍亮說。
有了(le)打(da)印(yin)機、打(da)印(yin)頭和打(da)印(yin)材(cai)料，“紙(zhi)(zhi)張”當(dang)然也(ye)是(shi)必(bi)不(bu)可(ke)少的。“在(zai)施工前，我(wo)們在(zai)地(di)(di)下預(yu)埋(mai)了(le)鋼筋(jin)籠，這就相當(dang)于‘打(da)印(yin)紙(zhi)(zhi)’。”中建二局廣東建設基地(di)(di)有限公(gong)司科技(ji)部(bu)副經(jing)理黃云說，“在(zai)打(da)印(yin)過程中，隨(sui)著墻體的不(bu)斷(duan)長高(gao)，還得按照圖紙(zhi)(zhi)去加裝鋼筋(jin)。”
3D打印(yin)技術主(zhu)要(yao)用在(zai)(zai)房屋建造(zao)過程(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)主(zhu)體施工(gong)階段，傳統工(gong)藝在(zai)(zai)主(zhu)體施工(gong)中(zhong)(zhong)涉及模(mo)板(ban)、鋼(gang)(gang)筋和混凝土(tu)三個(ge)(ge)方面(mian)。3D打印(yin)技術的(de)所有工(gong)藝也是圍繞著這(zhe)三個(ge)(ge)內容進行的(de)，目(mu)前(qian)3D打印(yin)還(huan)無法打印(yin)鋼(gang)(gang)筋，鋼(gang)(gang)筋布置還(huan)需要(yao)依(yi)靠人工(gong)。
主體打印部分僅(jin)需3天
從傳(chuan)統(tong)工(gong)藝特點來說，曲面(mian)造(zao)型設計的(de)(de)(de)建筑(zhu)不(bu)論是現場(chang)澆注成(cheng)型，還是工(gong)廠預制(zhi)構件，模(mo)具工(gong)程及其成(cheng)本高且不(bu)宜實(shi)現。“建筑(zhu)3D打(da)(da)印(yin)技術是基于計算機(ji)智(zhi)能控制(zhi)實(shi)現建筑(zhu)構件及建筑(zhu)免模(mo)板(ban)的(de)(de)(de)施工(gong)工(gong)藝，在曲面(mian)建筑(zhu)和穹(qiong)頂式建筑(zhu)建造(zao)上具有明顯優勢，同時(shi)為(wei)設計師自由(you)創作提(ti)供了可(ke)能。”中國建筑(zhu)技術中心材料(liao)所(suo)所(suo)長張濤說。3D打(da)(da)印(yin)技術無疑將(jiang)推(tui)動制(zhi)造(zao)業的(de)(de)(de)數字化發展，在3D打(da)(da)印(yin)的(de)(de)(de)世界里，建筑(zhu)師、工(gong)程師和建筑(zhu)工(gong)人將(jiang)借助科技之力，將(jiang)建筑(zhu)與3D打(da)(da)印(yin)結合，完(wan)成(cheng)對現有建筑(zhu)技術的(de)(de)(de)再造(zao)。
3D打印(yin)建(jian)筑(zhu)還可(ke)大大節(jie)省建(jian)筑(zhu)用料(liao)，降(jiang)低施(shi)工(gong)成本(ben)。建(jian)筑(zhu)3D打印(yin)可(ke)以充分利用打印(yin)智能控制，使建(jian)筑(zhu)一次(ci)成型(xing)，節(jie)約(yue)材料(liao)60%，同時可(ke)減少(shao)建(jian)造(zao)過程中的(de)工(gong)藝損耗和能源消耗。“我們這個項目(mu)建(jian)筑(zhu)面積約(yue)230平方米，分為(wei)上(shang)下兩(liang)層，打印(yin)部(bu)分為(wei)墻體(ti)和構(gou)造(zao)柱，主體(ti)打印(yin)部(bu)分僅需3天。”霍亮說，“由于(yu)3D技(ji)術打印(yin)房屋(wu)全(quan)(quan)部(bu)使用機械自動化操作(zuo)，以往要十二三(san)名工(gong)人操作(zuo)的(de)項目(mu)少(shao)一半人完(wan)全(quan)(quan)沒(mei)問題”。
中國3D打印建筑(zhu)水(shui)平與世界(jie)同步
這棟“世界首(shou)例(li)原(yuan)位3D打(da)印(yin)(yin)雙層示范建(jian)筑(zhu)”，是由中建(jian)股份技術(shu)(shu)中心和中建(jian)二局(ju)華南(nan)公司(si)聯合立(li)項課題《建(jian)筑(zhu)3D打(da)印(yin)(yin)技術(shu)(shu)研(yan)究與應用示范》的(de)(de)展示工(gong)程。經(jing)過(guo)3年的(de)(de)技術(shu)(shu)攻關已經(jing)完成了多(duo)種3D打(da)印(yin)(yin)材料(liao)體系、架體結(jie)構、輸料(liao)系統(tong)、控制軟(ruan)件的(de)(de)開發(fa)工(gong)作(zuo)，實現了從(cong)無到(dao)有，從(cong)小(xiao)到(dao)大的(de)(de)突破(po)。獲得建(jian)筑(zhu)3D打(da)印(yin)(yin)材料(liao)、設備類專利13項，軟(ruan)件著(zhu)作(zuo)權(quan)4項，專業(ye)(ye)著(zhu)作(zuo)1部，外(wai)觀專利1項。霍亮說：“目前(qian)，國(guo)內外(wai)建(jian)筑(zhu)3D打(da)印(yin)(yin)技術(shu)(shu)同步發(fa)展，中國(guo)建(jian)筑(zhu)行業(ye)(ye)在(zai)某(mou)些(xie)應用方(fang)面甚至已經(jing)超越國(guo)外(wai)同行。”
“打(da)印(yin)小(xiao)樓”的三大(da)技術(shu)突破(po)
打印頭通過一圈一圈連續噴(pen)吐寬5厘米、厚2.5厘米的打印材料，經過層層堆(dui)積建造墻面
這棟雙層小樓建成后將用于辦公和展示。它所采用的原位3D打印建造技術較過去的3D打印技術有三方面突破：一是原位打印，即現場直接將主體打印成型，無需二次拼裝；二是采用輪廓工藝，即打印出的墻體是為中空的，方便添加保暖填充物；三是首次將這項技術運用到雙層建筑上，結構難度更大。雖然目前3D打印技術沒有真正批量應用在建筑工程中，但原位3D打印技術的成功應用，無疑對3D打印技術在建筑領域的推廣奠定了基礎。它與現有施工技術是互補的、相互依靠的關系，研發及應用這一技術不是要替代現有施工技術，而是將其作為對現有施工技術的一個強有力補充。