「列印」出來的房子啥模樣?這棟小樓不尋常

2021-08-05T16:03:14.456189+00:00

隨著3D列印建築技術的不斷發展,其對整個建築行業的影響在不斷加深。日前,「世界首例原位3D列印雙層示範建築」在廣東成功完成主體結構,意味著我國建築3D列印技術在某些應用方面已經超越國外同行,未來有望深入改變我們的生活。  兩層小樓,7.2米高,一層層疊起的牆體,顏色灰突突的。

隨著3D列印建築技術的不斷發展,其對整個建築行業的影響在不斷加深。日前,「世界首例原位3D列印雙層示範建築」在廣東成功完成主體結構,意味著我國建築3D列印技術在某些應用方面已經超越國外同行,未來有望深入改變我們的生活。

  兩層小樓,7.2米高,一層層疊起的牆體,顏色灰突突的。在一棟棟摩天大廈拔地而起、眾多地標性建築彰顯特色的今天,這樣一棟小樓,顯得很平常。

  但是,如果這棟小樓是「3D列印」出來的呢?

  這棟小樓不尋常

  11月17日,中建二局廣東建設基地。一個高大的金屬框架立在地面,噴吐混凝土材料的「列印頭」懸掛其上,可以實現XYZ軸3個方向上的自由移動。此時,連續「噴墨」幾十個小時的建築3D印表機已經完成了工作——這棟其貌不揚的小樓就是它的作品。

  小樓有個響噹噹的名號——「世界首例原位3D列印雙層示範建築」。其特殊性在於,它是一棟「原位3D列印」出來的建築,是一棟不用拼裝、在現場直接將主體列印成形的建築,也是一棟首次運用這項技術並成功完成的雙層建築。同時,這也意味著我國建築3D列印技術與國際同步發展,甚至在某些應用方面已經超越國外同行。從這個角度看,這棟小樓不尋常。

  3D列印技術誕生於上世紀90年代中期。一般認為,這是一種以數字模型文件為基礎,運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料,通過逐層列印的方式來構造物體的技術,在航空航天、醫療產業等領域都有應用,而應用在建築方面還很少見。

  中國建築技術中心材料工程研究所所長助理霍亮介紹:「3D列印建築的基本原理與一般印表機一樣,要有印表機體、噴頭、油墨、紙張。」如果把建築四周搭建的金屬框架視作印表機的機體,那麼噴吐混凝土的「列印頭」就相當於印表機的噴頭。建築列印用的「油墨」可不是普通的混凝土,而是為列印施工特殊配製的列印材料。當然,「紙張」也十分重要。在施工前,工人在地下預埋鋼筋,這就相當於「紙張」了。列印頭通過一圈一圈連續噴吐寬5厘米、厚2.5厘米的列印材料,經過層層堆積建造牆面,不到30個小時就能列印完占地面積約120平方米的一層樓牆面。而且在列印過程中,隨著牆體不斷升高,還需要按照圖紙加裝鋼筋,使「紙張」實現動態延伸。

  「工人可以趁著混凝土砂漿尚未凝固時在牆體底部開洞,為牆體內的鋼筋籠與地基中的鋼筋焊接預留出空間。」中建二局廣東建設基地有限公司科技部副經理黃雲補充說,「手感像是切蛋糕,操作起來相當方便」。

  列印技術不尋常

  且不說現場觀感,從技術層面描述建築的「列印」過程也不複雜:先是通過計算機軟體完成模型分割;接著將三維圖形信息轉化成列印路徑,同時計算出列印速度;然後輸送泵將列印材料送至列印頭,列印頭再按照設定程序進行三維走位,建築構件就被「列印」出來了。此次列印完成占地面積約120平方米的一樓牆面,用時不到30個小時。

  然而,新技術簡單易行的背後是科技力量的強大支撐。

  一是列印材料不尋常。寬5厘米、厚2.5厘米的混凝土材料一層覆蓋一層,如果下層混凝土凝結慢,強度不夠,就無法支撐上層材料的重量,有可能導致牆面變形甚至垮塌;如果凝結得太快,每一層材料與上層材料的有效黏合又難以實現。如何讓混凝土滿足3D列印建築的需求,本身就是個難題。「我們通過反覆試驗,在普通混凝土中添加了外加劑,通過調節材料黏稠度和凝結時間,解決了這一問題。」霍亮說。

  二是原位3D列印建築技術不尋常。客觀地看,在建築行業引入「3D列印」技術已有先例,但大部分應用都在工廠中完成。工廠列印出能夠組合拼裝成形的各種建築構件,然後搬運到建築所在地進行拼裝。而原位3D列印建造技術可以實現原位列印,即在現場直接將主體列印成形,無需二次拼裝,這需要克服戶外環境變化帶來的一系列挑戰。對此,施工人員在建築周邊裝備噴霧設施,用於列印中的保濕和列印後的混凝土養護。「飯要一口一口吃,樓要一層一層印。在一層牆體列印完成後,我們還需養護至少3天,確保材料強度達到可開展下階段施工的條件。」中建二局廣東建設基地有限公司總工程師蘇鎧說。

  三是建造難度不尋常。此次實踐,他們採用輪廓工藝,分內外兩層列印,列印出的牆體是「空心」的,方便添加保暖填充物。而將這項技術成功運用到難度更大的雙層建築建造上,更是一種突破。

  在不尋常中求索「尋常」

  研製3D列印建築,意義何在?

  蘇鎧向記者介紹:與傳統施工技術相比,3D列印技術的機械化程度更高、成本更低;而且整個施工過程不需要模板,不但能節約材料約60%,還可減少建造過程中的工藝損耗和能源消耗;由於3D技術列印房屋全部使用機械自動化操作,以往要十幾名工人操作的項目完全可以減少一半人力;特別重要的是,整個施工過程更加安全,工人的勞動強度也降低不少。

  站在更大的格局上看,建築3D列印技術對整個建築行業的影響亦在不斷加深。一方面,應用這一技術可實現更高的設計自由度,這為建築設計師的自由創作提供了更多可能;另一方面,這一技術可實現更高的定製化要求,能推動建築的標準化與個性化更好結合。「這將是一個打破傳統束縛、使建築結構順應個性化需求的過程。」霍亮說。

  無論技術有多牛,能否實現大規模應用才是關鍵。於是,在一系列不尋常中求索「尋常」,是建築3D列印技術研發團隊始終關注的問題。此次原位3D列印技術的成功應用,克服了需要大量機械吊裝預製構件、構件二次運輸等問題,為3D列印技術在建築領域的推廣奠定了基礎。

  現實地看,從技術突破到應用推廣,建築3D列印還有很長一段路要走,還有一些難題尚未解決。比如,3D列印具有無模板的優點,但是列印牆體中的橫向鋼筋、豎向鋼筋、箍筋的布置和連接在目前的工藝中還不能有效解決;又如,不同建築環境對列印材料的要求也不同,研發具有更優越強度及耐久性的建築3D列印材料,也是建築3D列印技術更好推廣的重要基礎;再如,建築3D印表機也需要進一步強化能力、實現更多功能,能夠根據建築的體量大小、建築場地附近的施工條件以及施工進度的要求,進行全尺寸列印、分段組裝式列印、群組機器人集合列印等。

  因此,霍亮特彆強調:「建築3D列印技術與現有施工技術是互補的、相互依靠的關係。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。」

  雖然未來的不確定性很多,但可以預見的是,由於建築3D列印技術的不斷發展,整個建築行業的設計、施工思路與方法必將隨之變化。建築師、工程師和建築工人將藉助科技之力,將建築與3D列印結合,完成對現有建築技術的再造。

關鍵字:

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2021-11-15T07:04:36.922123+00:00

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