中国3D打印技术用于造房子 实现技术新突破

铁流

18-12-1519:38

傻大黑粗的建筑,为什么要3D打印?

上世纪70年代,由于人工成本的攀升,工程师们开始研究使用机器人来代替工人进行外墙安装、水泥浇筑等简单重复但又十分危险工作。当时,发达国家陆续开发出了混凝土喷射机器人、混凝土铺面修整机器人、钢梁防火层喷涂机器人、壁面爬行机器人等。它们极大地降低了劳动力成本,提高了工作效率。

(混凝土破拆机器人,可以破拆混凝土的同时留下钢筋网)

到了21世纪,3D打印技术的工程应用逐渐成熟,建筑师们也开始考虑:与其使用这些种类繁多、零零碎碎的建筑机器人,何不直接搞一个“大一统”,将整栋建筑干脆3D打印出来,这得省去多少麻烦!

于是,建筑师们设计出了这样一种3D打印体系:采用一个几厘米粗的喷嘴,像普通3D打印那样一层一层地挤出特制的砂浆来。砂浆在空气中迅速硬化形成强度,并在上面覆盖新的一层,进而逐渐打印出整座建筑。

3D打印建筑的材料很特别,是一种特殊配比的混凝土

一般的建筑,其结构构件通常使用的是钢筋混凝土:先编好结实的钢筋笼,再将混凝土浇筑上去。等混凝土硬化以后,坚硬而脆的混凝土承担压力,里面坚韧的钢筋笼则承担拉力。这样,无论是抗压的柱、墙,还是抗弯的梁、板,钢筋混凝土都可以轻易胜任。

然而,钢筋混凝土结构的修建极其耗费人工,尤其是绑扎钢筋笼,是一件纯手工劳动。可是不绑扎钢筋,混凝土这种脆性材料无法单独工作。3D打印建筑不可能打印出钢筋来,那这个问题该怎么解决呢?

(一处典型的钢筋笼)

3D打印建筑所使用的材料是一种特殊的混凝土。首先,它的骨料介于砂石之间,级配和粒径都很好,可以被喷嘴很好地接纳,同时浆体-骨料比保持优良状态。此外,3D打印混凝土具有良好的速硬功能。“打印机”走上一圈几分钟下来,下面一层的混凝土就该硬化了,不然两层软塌塌地混在一起,建筑就盖不起来了。

3D打印混凝土最关键的技术,就是其如何在没有钢筋的配合下保持抗弯能力。为此,工程师们向材料中掺加了一定量的玻璃纤维、复合塑料纤维等。这种掺加了纤维的混凝土具有了一定的抗拉性能,不会像传统混凝土那样抗压能力很厉害却一掰就断。虽然与钢筋仍有一定的差距,但是用作3D打印的墙壁、斜屋顶等构件,强度上是绰绰有余的。利用这种方式打印出的建筑具有明显的层状结构,但由于材料的胶凝性能出色,层与层之间连接紧密,故而防水能力同样优良。

(3D打印建筑的外观)

在实际生产中,3D打印建筑的原料凝结很快,不能预先配好用搅拌车运到现场;而其比例又很精密,不能像普通工地那样让工人在现场配制。因此,3D打印的混凝土通常是以干混砂浆的形式出现的。它将水泥、砂、纤维及外加剂预先按照一定的比例混合,然后以整袋包装的形式运到现场,在打印机中与水按严密的比例混合,现制现用。

(工业化生产的干混砂浆,质量和均匀性都比现场更有保障)

建筑的3D打印正规化、商业化正在中国一步步推进

在建筑的3D打印方面,中国始终走在时代的前列。有人说,“中国是唯一一个真正掌握了3D打印建筑的国家。”这句话虽然夸张,但目前,中国确实是唯一一个能够生产出“可堪一用”的3D建筑的国家。

2015年1月18日,中国向世界展示了全球最高的3D打印建筑“6层楼居住房”和全球首个带内装、外装一体化的1100平方米精装别墅。

这些3D打印的房子,都是事先在工厂中分楼层打印好,切割后运到现场,再配之以现浇楼板,在整体安全性、功能性上可以达到与普通建筑不相上下的程度。在未来,施工现场布置几台3D打印机,然后完整地打印出一二百米高的高层建筑并不是梦。

至于独栋别墅的打印技术,目前已经相对成熟。一套别墅的打印价格只有100万元,相比起大城市别墅的售价而言基本可以忽略。今后,别墅的业主可以定制个性化的房子。同一个小区的几百栋建筑可以做到结构千差万别,安全性却有保障。

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