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3D打印建筑发展动态分析报告(中)

3D打印建筑的国内发展现状

      近年来,随着3D打印建筑在全球范围内的不断涌现,国内的众多企业和高校开始自主研发 3D 打印建筑技术,3D 打印建筑在国内的发展已初露端倪。总体而言,目前国内3D打印技术在建筑业领域的应用还处于起步阶段,与国外发达国家相比还有一定差距。
    

      20144月,103D打印建筑在上海张江高新青浦园区内展出。这些建筑依据电脑设计方案的图纸,经一台大型的3D打印机层层叠加喷绘而成,整个建筑过程仅花费24小时,且其墙体材料用的是处理后的建筑垃圾。研发者马义和表示,其3D打印核心是油墨、喷嘴和材料供应系统。其打印材料的核心技术是以高标号水泥与玻璃纤维为主,依靠自主研发的打印机设备连续线性挤出打印而成,比传统钢混建筑强度更高。 

   

      中国建筑公司盈创科技的团队还研发了一种新型生态石材SRC(特种玻璃纤维增强复合水泥),接着又在FRP(纤维增强复合塑料)有所突破。正是这些技术为其3D打印打下良好基础。值得一提的是,这些3D打印建筑原材料通过就地取材,回收附近建筑垃圾、工业垃圾和尾矿,通过技术处理、加工、分离,实现建筑垃圾再利用。 


 

上海张江高新青浦园区内展出的3D 打印房屋构架


      20163月,盈创科技完工两幢面积分别为80130平方米的3D打印中式庭院,造价为40万元。该建筑的设计和建造按照3D打印建筑技术的特性,整体建筑设计超越了原有苏州园林的古建筑体结构和布局,将现代审美元素和高科技技术结合在一起。

3D打印中式庭院1



3D打印中式庭院2


20166月,在北京市通州工业园区诞生了全球首座3D现场/整体打印的建筑物,该建筑墙体厚度250cm,高度两层,每层高3m。与以往国内外的3D打印建筑相比,该建筑是现场“整体打印”,将机器人手臂连接到3D打印机头,施工45天,耗时少,节省大量运输成本。


全球首座3D现场整体打印建筑


      3D打印技术的发展将使大规模的个性化生产成为可能,并会创造出大量的传统工艺无法生产的新型材料,这将会带来全球制造业经济的重大变革。尽管过去30年里已经开发了一些快速成型的方法,而且在很多领域已经有了基于这类方法的成功应用实践,目前大多数分层制造方法受限于可用建筑材料的匮乏。此外,它们还严重受制于材料的低沉积率,这使得这些方法只能适合小的工业零部件。因此,目前3D建筑轮廓打印可以说是唯一适用于建设大型复杂建筑的新的建造方法。 


      综上所述,虽然国内外学者对3D打印材料有了一定的探索并基于材料特性摸索了相应的打印模式,但是在适应多元材料的打印设备系统和工艺流程系统的研究上显得较弱,都是各成一家,缺少交流和融合。如Enrico Dini对细沙和镁基胶的运用,是基于胶凝材料和细骨料混合硬化的的快速成型原理,也因此探索出能够打印复杂形体的D-Shape打印设备。Behrokh Khoshnevis在混凝土配方材料的快速成型打印技术上研究较多,并探索了多种适合混凝土打印机的屋盖形状。其他基于塑料或纤维材料而产生的打印工艺又各不相同,不同材料衍生的不同工艺直接的配合与融合的过程还有待研究。其次,国内外学者研究3D打印建筑已经进入较快的发展阶段,研究的初步成果较多,但是缺乏系统、完善的方法体系。现在全世界采用3D打印技术已完成实际建设的项目更是少之又少。


      3D打印建筑技术简介

      目前,3D打印建筑技术主要有以下几种工艺:


      1.D-Shape打印工艺


      2010年,意大利籍Enrico Dini教授发明了世界上第一台以细骨料和胶凝料为打印材料的数字打印机,名为D-Shape,可以用建筑材料打印出高4m的建筑物。这台打印机的底部有数百个喷嘴,可喷射出镁质黏合物,在黏合物上喷撒沙子可逐渐铸成人造砂岩,通过一层层的黏合物和沙子结合,将沙子粘成像岩石一样坚固的固体,并形成特定的形状,最终形成石质建筑物。


石质建筑物一



石质建筑物二



石质建筑物三


      D-Shape打印机沿着龙门架支撑的轴梁在xy轴上往返移动,打印机喷头每打印一层时仅形成510mm的厚度。打印机操作可由电脑CAD-CAM软件操控,建造完毕后建筑体的质地类似于大理石,比混凝土的强度更高,并且不需要内置钢筋进行加固。 目前,这种打印机已成功地建造出内曲线、分割体、导管和中空柱等建筑结构。由此不难看出,普通的水泥混凝土可能已经不能适应3D打印建筑技术的需要,混凝土组成材料和搅拌方式均需改变,以适应3D建筑打印技术的需要。


     Enrico Dini表示,这种打印机比常规建筑方法要快得多,而且所使用的原料也只有原来的1/31/2,更重要的是几乎不会产生任何废弃物。Enrico Dini称,他已经在和建筑大师诺曼福斯特、阿尔塔空间公司等进行讨论,希望能设计出一种可以使用月球土壤的打印机,届时在月球上就可以使用这种打印机快速地建造出人类的月球基地。 


     D-Shape打印机已经参与了多项3D打印房屋项目,其中包括竞争世界上第一幢3D打印的住房称号的“Landscape House”模拟莫比乌斯环,该项目由荷兰阿姆斯特丹建筑大学的建筑设计师Janjaap Ruijssenaars设计,并参加了Europan竞赛。


     这里“D-Shape”打印机先用沙和无机粘合物对建筑框架进行逐块打印,每一块的尺寸都达到了6m×9m,然后组装到一起,再用纤维增强的水泥材料对框架进行填充,最终完成一幢两层房屋的建造。Janjaap Ruijssenaars尝试了混凝土打印复杂曲线形体,并且尝试了传统技术和新的3D打印技术相结合,例如端墙为玻璃和钢结构,且地板、侧墙和天花板组成箱体结构让这个结构变得更坚固。 


2.建筑轮廓工艺(Contour Crafting

南加州大学的Behrokh Khoshnevis教授的建筑轮廓打印方法是一种基于混凝土的自动化施工方法。2004年,该项技术就已经能够打印5英尺(约合1.52m)长、3英尺(约合0.91m)高、6英寸(0.15m)厚的建筑部件。2012年,Behrokh Khoshnevis教授表示轮廓工艺打印出来的墙是空心的,其间布置桁架状构造,这样不但大大减轻了建筑本身的重量,而且还可让空隙处填充保温材料,让其成为整体的自保温墙体。同时预留浇筑的空间,并处理各种基础设施管道和电气布置。



轮廓工艺打印出的墙体


      目前,该工艺可以做到24小时内打印出大约232㎡的两层楼房。轮廓打印工艺(CC)是一种计算机自动施工方法,它能提供快速生产,显著减少浪费,大量地节省成本。要在月球上 长时间停留,需要足够的辐射防护措施,这取决于能否在月球上建造结构,最好是能利用月球的资源并且在人类登陆之前完成。为此他提出一种月球轮廓工艺系统的概念设计,可以利用基于月壤的高强混凝土(包括玻璃增强杆或从表层土中提取的纤维)在月球表面自动完成整体结构建造。 


      轮廓工艺有两种打印方法:

      一种方法是用一个大型龙门机器人完成每一层的打印任务,然后把各层叠加起来构建整个房子,但这种方法需要大量的预备场地和一个大型超级机器人。


轮廓工艺大型龙门机器人施工方案



轮廓工艺移动机器人施工方案


      另一种方法是同时使用多个移动机器人进行协调运作。采用移动机器人方案有几个优点,包括便于运输和安装、并行施工和可扩展设备数量。

     

     墙体结构可采取多种空腔墙体形式,适应于打印机器人的快速运作,创造出完全不同于传统墙体形式的新的节能、高强的墙型材,并节省更多的材料。 相比于传统的建造方式,轮廓工艺可以节省相当多的时间和成本。


     建造成本取决于机器所消耗的时间和能源。总工程量可以通过已知的打印路径来计算,先把建筑分割成若干层,然后再把每一层转换为一个由边线和顶点组成的模块。打印的轨迹优化配合程序优化,路径优化和打印机速度的提升在降低打印时间上很有潜力。针对不同环境和受力要求的墙体,采取有针对性的、不同的墙体形式可以节省更多时间,将打印机挤压喷头设置多元化可以提高效率,优化建造模式。


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