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“世界首例原位3D打印雙層示范建筑”效果圖。
3D打印墻體特寫照片。
施工人員在3D打印墻體施工中。(圖片由中建二局華南公司提供)
隨著3D打印建筑技術的不斷發展，其對整個建筑行業的影響在不斷加深。日前，“世界首例原位3D打印雙層示范建筑”在廣東成功完成主體結構，意味著我國建筑3D打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，一層層疊起的墻體，顏色灰突突的。在一棟棟摩天大廈拔地而起、眾多地標性建筑彰顯特色的今天，這樣一棟小樓，顯得很平常。
但是，如果這棟小樓是“3D打印”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“打印頭”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”幾十個小時的建筑3D打印機已經完成了工作——這棟其貌不揚的小樓就是它的作品。
小樓有個響當當的名號——“世界首例原位3D打印雙層示范建筑”。其特殊性在于，它是一棟“原位3D打印”出來的建筑，是一棟不用拼裝、在現場直接將主體打印成形的建筑，也是一棟首次運用這項技術并成功完成的雙層建筑。同時，這也意味著我國建筑3D打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打印技術誕生于上世紀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，通過逐層打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，而應用在建筑方面還很少見。
中國建筑技術中心材料工程研究所所長助理霍亮介紹：“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。”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”就相當于打印機的噴頭。建筑打印用的“油墨”可不是普通的混凝土，而是為打印施工特殊配制的打印材料。當然，“紙張”也十分重要。在施工前，工人在地下預埋鋼筋，這就相當于“紙張”了。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，不到30個小時就能打印完占地面積約120平方米的一層樓墻面。而且在打印過程中，隨著墻體不斷升高，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。”中建二局廣東建設基地有限公司科技部副經理黃云補充說，“手感像是切蛋糕，操作起來相當方便”。
打印技術不尋常
且不說現場觀感，從技術層面描述建筑的“打印”過程也不復雜：先是通過計算機軟件完成模型分割;接著將三維圖形信息轉化成打印路徑，同時計算出打印速度;然后輸送泵將打印材料送至打印頭，打印頭再按照設定程序進行三維走位，建筑構件就被“打印”出來了。此次打印完成占地面積約120平方米的一樓墻面，用時不到30個小時。
然而，新技術簡單易行的背后是科技力量的強大支撐。
一是打印材料不尋常。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，有可能導致墻面變形甚至垮塌;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打印建筑的需求，本身就是個難題。“我們通過反復試驗，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打印建筑技術不尋常。客觀地看，在建筑行業引入“3D打印”技術已有先例，但大部分應用都在工廠中完成。工廠打印出能夠組合拼裝成形的各種建筑構件，然后搬運到建筑所在地進行拼裝。而原位3D打印建造技術可以實現原位打印，即在現場直接將主體打印成形，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，施工人員在建筑周邊裝備噴霧設施，用于打印中的保濕和打印后的混凝土養護。“飯要一口一口吃，樓要一層一層印。在一層墻體打印完成后，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，他們采用輪廓工藝，分內外兩層打印，打印出的墻體是“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筑建造上，更是一種突破。
在不尋常中求索“尋常”
研制3D打印建筑，意義何在?
蘇鎧向記者介紹：與傳統施工技術相比，3D打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;由于3D技術打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，建筑3D打印技術對整個建筑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，這為建筑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制化要求，能推動建筑的標準化與個性化更好結合。“這將是一個打破傳統束縛、使建筑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。于是，在一系列不尋常中求索“尋常”，是建筑3D打印技術研發團隊始終關注的問題。此次原位3D打印技術的成功應用，克服了需要大量機械吊裝預制構件、構件二次運輸等問題，為3D打印技術在建筑領域的推廣奠定了基礎。
現實地看，從技術突破到應用推廣，建筑3D打印還有很長一段路要走，還有一些難題尚未解決。比如，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;又如，不同建筑環境對打印材料的要求也不同，研發具有更優越強度及耐久性的建筑3D打印材料，也是建筑3D打印技術更好推廣的重要基礎;再如，建筑3D打印機也需要進一步強化能力、實現更多功能，能夠根據建筑的體量大小、建筑場地附近的施工條件以及施工進度的要求，進行全尺寸打印、分段組裝式打印、群組機器人集合打印等。
因此，霍亮特別強調：“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。”
雖然未來的不確定性很多，但可以預見的是，由于建筑3D打印技術的不斷發展，整個建筑行業的設計、施工思路與方法必將隨之變化。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。(經濟日報·中國經濟網記者 欒笑語)
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