3D打印設備正在打印墻面

裝配式混凝土3D打印趙州橋今年10月在河北工業大學落成。

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中建二局廣東建設基地3D原位打印二層示范建筑施工現場

3D打印墻體特寫

(本版其他圖片由中建二局華南公司提供)

蓋房子能像打印機打印東西一樣?如果不是親眼所見，恐怕很難相信，眼前正在建設中的小樓，一樓墻面全部是由懸掛在空中的噴頭“打印”出來的。日前，記者走進中建二局廣東建設基地，探訪世界首個3D原位打印二層示范建筑。記者看到，小樓四周搭建著高大的金屬框架，懸掛在上面的打印頭可以在XYZ軸三個方向上自由移動，通過噴吐混凝土材料“蓋房”。

“打印機、噴頭、油墨、紙張”一樣不少，打印一層樓不到30個小時

“3D打印建筑的基本原理與一般打印機一樣，要有打印機體、噴頭、油墨、紙張。”中國建筑技術中心材料工程研究所所長助理霍亮介紹說。如果把建筑四周搭建的金屬框架視作打印機的機體，那么噴吐混凝土的打印頭就相當于一般打印機的噴頭，只不過它噴出的既不是油墨也不是一般的混凝土，而是為打印施工特別配制的打印材料。“就像炒菜會放鹽和醬油一樣，為了適應3D打印的特點，我們在建筑材料上做了一些調整。”霍亮說。

眾所周知，傳統的建筑施工中，混凝土砂漿的材料特性決定了其澆筑不能間斷，要一次完成。3D打印建筑也同樣不能間斷，打印頭通過一圈一圈連續噴吐寬5厘米、厚2.5厘米的打印材料，經過層層堆積建造墻面。但是問題來了，如果下層混凝土凝結慢，沒有形成足夠的強度，就無法支撐上層材料的重量，導致墻面變形甚至垮塌;如果凝結太快，又會出現和上層材料的黏合問題。“我們通過反復試驗，在一般的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。

光有打印機、打印頭和打印材料還不行，“紙張”也同樣重要。“在施工前，我們在地下預埋了鋼筋，這就相當于‘打印紙’，在打印過程中，隨著墻體越來越高，工人趁著混凝土砂漿尚未凝固時可以像切蛋糕一樣在墻體底部開洞，為墻體內的鋼筋籠與地基中的鋼筋焊接預留出空間，操作相當方便。”中建二局廣東建設基地有限公司科技部副經理黃云說。

記者爬上腳手架俯視墻面，發現墻體是中空的。“這是為了給未來的保溫層等材料填充預留空間，3D打印建筑的墻體分內外兩層打印，設備按照打印路徑行進，打印完占地面積約120平方米的一樓墻面用時不到30小時，建造速度很快。”霍亮說。

據了解，這棟即將整體完工的二層小樓位于工廠的鋼材鍛造車間旁，建成后將用于辦公和展示。與3D打印建筑構件再拼裝不同，3D原位打印需要克服戶外環境變化帶來的一系列挑戰。“建筑周邊有噴霧設施，用于打印中的保濕和打印后的混凝土養護，在一層打印完成后，至少需要養護3天時間，材料強度達到可進行下一階段施工的條件。目前已安裝完一樓樓頂，正在打印第二層。”霍亮說。

省時、高效、環保、設計自由度高，3D打印或成現有技術有益補充

熟悉建筑行業的人都知道，混凝土澆筑需要模板，但3D打印建筑的施工現場卻沒有。“從傳統工藝特點來說，混凝土結構成型需要模具。尤其對曲面造型設計的建筑來說，不論是現場澆注成型，還是工廠預制構件，模具制造成本高且不易實現。而建筑3D打印技術是基于計算機智能控制實現建筑構件及建筑免模板的施工工藝，在曲面建筑和穹頂式建筑建造上具有明顯優勢，同時為設計師自由創作提供了可能。”中國建筑技術中心材料工程研究所所長張濤說。3D打印技術無疑將推動制造業的數字化發展，在3D打印的世界里，建筑師、工程師和建筑工人將借助科技之力，將建筑與3D打印結合，完成對現有建筑技術的再造。

除此之外，3D打印建筑還可大大節省建筑用料，降低施工成本。

近年來，中國建筑能耗總量逐年上升，在能源總消費量中所占比例已從20世紀70年代末的10%，上升到27.45%。住房和城鄉建設部建筑節能與科技司研究表明，隨著城市化進程的加快和人民生活質量的提高，中國建筑耗能比例將上升至35%左右。建筑3D打印可以充分利用打印智能控制，使建筑一次成型，節約材料60%，同時可減少建造過程中的工藝損耗和能源消耗。

韓國一家從事3D打印建筑的公司CORONA總裁申東源曾向媒體表示：“3D打印建筑可以將建造住宅的施工費用降低到現在的1/10。假如一套6坪(19.83平方米)單間房施工費用是1億韓元，使用3D打印，可將費用壓縮到1000萬韓元。”

另一方面，3D打印建筑還能節約人力成本。在施工現場，記者只看到了五六名工人。“我們這個項目建筑面積約230平方米，分為上下兩層，每層高度3.6米。打印部分為墻體和構造柱，主體打印部分僅需3天。3D技術打印房屋全部使用機械自動化操作，以往要十二三名工人操作的項目現在用一半人就可以完成”。霍亮說。

在中國逐步邁入老齡化社會、人力成本越來越高的形勢下，勞動密集型的建筑業發展面臨巨大挑戰。可以預見，在用工成本不斷增加的今天，3D打印技術未來可能對行業變革產生巨大影響。

不過目前3D打印技術沒有真正批量應用在建筑工程中。“雖然3D打印具有無模板的優點，但是打印墻體中的橫向鋼筋、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。”霍亮說，“建筑3D打印技術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。”

國際建筑界普遍關注，中國3D打印建筑水平與世界同步

在慶祝中華人民共和國成立70周年大會群眾游行活動中，“奮進上海”彩車上的中共一大會址、自貿區、陸家嘴等微縮建筑模型都是由3D打印技術制造的，再一次引發人們對3D打印技術的關注。這一誕生于上世紀90年代中期的技術又稱“增材制造”，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，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，廣泛應用于珠寶、鞋類、航空航天、醫療產業等領域，在建筑方面的應用還較為前沿。

近年來，3D打印建筑在國內外建筑界引起廣泛關注，相關探索層出不窮。中國盈創建筑科技公司曾在2015年1月用3D打印機建造了一個5層公寓。阿聯酋“OFFICE OF THE FUTURE”(未來辦公室)項目是全球首個采用3D打印技術完成的高檔辦公室項目。今年7月，太空灰3D打印團隊宣布，完成了全球首座整體3D打印的混凝土拱橋。南京嘉翼數字化增材技術研究院有限公司用3D打印技術建成的垃圾投放站今年9月亮相南京江北新區。不久前，迪拜首座3D打印雙層建筑落成。

“目前，國內外建筑3D打印技術同步發展，中國建筑行業在某些應用方面甚至已經超越國外同行。”霍亮說，“3D打印建筑涉及學科多，缺少相關的技術標準、設計規范。目前國內的相關行業組織已經成立，國內外的業務交流活動也越來越多。”

國內第一個建筑3D打印領域的行業組織——中國混凝土與水泥制品協會3D打印分會于去年成立。中國建筑技術中心主編的《混凝土3D打印技術規程》已經起草完畢，目前處于征求意見階段。首屆建筑3D打印國際會議去年11月在澳大利亞墨爾本舉行，今年10月落戶天津，由河北工業大學和同濟大學聯合主辦。

《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》指出：“增材制造(3D打印)、機器人與智能制造、超材料與納米材料等領域技術不斷取得重大突破，推動傳統工業體系分化變革，將重塑制造業國際分工格局。”同時明確提出“打造增材制造產業鏈”。在國家政策引領下，國內建筑企業在3D打印方面的探索正步步深入。“暢想未來，這一技術也許會應用在外太空建造中，我們可能只需要一個‘打印機’就能從月球表面提取材料造房子了。”霍亮說。（張鵬禹）