基于增材制造技术的建筑新材料

苏东波，刘泽君

（1.中国船舶集团国际工程有限公司，北京 100121；2.中国南方航空股份有限公司北京分公司，北京 102600）

增材制造（Additive Manufacturing，AM）融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。

1 增材制造技术及市场前景

1.1 国外、国内市场现状及前景

增材制造技术在20世纪80年代产生，起初只是一个非商业化的技术，近10年经历了飞速的发展，到2019年，全球增材制造产业规模达119．56亿美元，增长率为29．9%，同比增长增加4．5%。据行业机构预测，到2023年，全球增材制造行业的总市值将达到327.8亿美元，复合年增长率为25.76%。我国增材制造技术通过近三十年的发展，在基础理论研究、关键设备的自主研发、应用领域的展都取得了丰硕的成果。目前，产业规模在2018年达到18.3亿美元左右，增速维持在25%以上，同时提供增材制造服务的企业数量已经超过500家。

1.2 增材制造技术

增材制造技术省去了传统的加工需要的多道加工工序，在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，实现了零件“自由制造”，并且缩短了加工周期，而且产品结构越复杂，其优势作用就越显著。增材制造技术经过多年的发展，已经形成了一条完整的产业生态链，主要包括逆向工程、软件提供商、服务提供商、系统提供商和材料五个部分。

1.3 增材制造材料

增材制造技术发展的重要基础是当前技术条件可利用的增材材料，材料的性能决定了增材制造能否有更广泛的应用。目前增材制造的材料种类已从过去的塑料成型扩展到了树脂、石墨、陶瓷、金属以及有机生物材料。我国增材制造市场的材料以树脂、尼龙、PLA、钛合金、不锈钢等为主。

2 曲面外形的建筑及立面构造解决方法

2.1 曲面外型的建筑

后现代主义建筑的兴起、计算机非线性辅助设计的发展，国际上出现了多位以复杂曲面造型为设计风格的建筑大师，比如扎哈·哈迪德、弗兰克·盖里、马岩松等，他们的作品往往是城市的地标，吸引大众的目光，具有很强的商业宣传效应。随着我国国民经济的高速发展，生活水平提高，人们审美也有新的需求，各类复杂曲面的建筑也在各地不断建设。

2.2 立面构造解决方法

现有技术中，复杂曲面的建筑外型主要可通过以下方法实施：混凝土型体浇筑、板材拼贴、GRC挂板。这三种方法中，混凝土型体浇筑存在适用建筑类型有限，须采用内保温技术，存在安全隐患的问题；板材拼贴后的曲面效果不理想，曲面其实由小的平板构成，有拼缝；GRC挂板为水泥制品，缺点是自重大，施工不便，后期有开裂可能。同时，以上三种方法在实践中都难以实现精细化曲面造型，包括镂空、浮雕等艺术效果。

3 基于增材制造技术的建筑装饰曲面板

增材建筑装饰曲面板经多年研究、探索，结合材料选择、施工技术、维护方法等因素综合考虑，将具有复杂造型曲面的装饰板在工厂利用增材制造技术（3D打印）设备预制完成，可实现以往技术不能实现的艺术效果，并在表面做保护涂层，达到满足防火耐候的要求。制作完成后，在施工现场通过节点块、增强连接构件与建筑钢龙骨构件连接，从而达到安全、美观的效果，对目前的复杂曲面建筑艺术性的实现度将具有极大的提高。

具体构造见图1~图4，其中：1-外壳保护涂层；2-曲面外壳；3-节点块；4-增强连接构件；5-钢龙骨系统及建筑结构（墙体）；6-插销连接体；7-卡扣连接体；8-螺栓；9-调节杆；10-外壳底板支撑。

图1 为实施例的效果示意图，曲面外壳2在工厂内由3d打印技术预制完成，如图可以呈现镂空、浮雕等艺术效果；表面通过喷涂或电镀技术附着外壳保护涂层1，使其具备防火防腐耐候等性能；各曲面外壳之间通过插销连接体6连接，缝间用建筑胶塞缝，增强连接可靠度。

图1 效果

图2 为实施例的结构示意图，外壳底板支撑10在工厂与曲面外壳2同时一体打印成型，保证牢固可靠；也可在考虑成本造价的前提下，将外壳底板支撑10单独制作生产，再与曲面外壳2通过焊接、胶粘、螺栓等方式连接为一整体。

图2 结构

图3 为实施例的剖面图，施工现场待预制完成的曲面外壳2进场后，将增强连接构件4与龙骨系统及建筑结构（墙体）通过螺栓连接；再将节点块3与增强连接构件4通过螺栓8连接，如遇不规则墙面，可通过调节杆9进行调节距离，保证曲面外壳2之间的插销连接体6可以对位连接；最后将曲面外壳2背面的底板支撑10通过卡扣连接体7与节点块3连接，将各曲面板缝间用建筑胶塞缝，增强连接可靠度。

根据节能保温需要，可以在钢龙骨系统与建筑结构（墙体）之间增加保温层，保温层为EPS模塑发泡聚苯乙烯板、XPS挤塑发泡聚苯乙烯板、岩棉板等。

图4 为实施例的平面图，曲面外壳2可根据建筑外型需要及3d打印设备输出能力确定制作尺寸，相应的节点块3、增强连接构件4通过受力分析确定尺寸；卡扣连接体7、螺栓8、调节杆9等为标准件，各构件设计、加工、施工阶段精确对位，保证建筑复杂曲面外表面的施工完成度

图3 剖面

图4 平面

4 结语

增材建筑装饰曲面板具有如下优点：①将增材曲面外壳利用3d打印设备制作可生产目前技术难以实现的复杂曲面板；②将增材曲面外壳在预制工厂内完成，可控制面板质量，安全生产有保障，减少工序，缩短施工周期；③表面覆盖外壳保护涂层的建筑装饰曲面板可达到国家相关防火要求，满足防腐耐候要求，同时可根据需要调节色彩和质感；④自重轻，与主体连接牢固，安全性强。