3D 打印在建筑材料中的应用浅析

2022-01-28黄国全李开慧陈统姬陈姣砚

广东建材 2022年1期

杨奔黄国全李开慧陈统姬陈姣砚

（北海职业学院）

0 前言

随着科学技术的发展，越来越多的新技术和新材料在建筑工程中得到应用，3D 打印技术和3D 打印材料就是其中之一。与传统制造工艺技术相比，3D 打印技术具有非常多的优点：3D 打印技术不需要机械加工及制造模具，可以在计算机中设计后直接打印出成品；3D 打印技术可以打印出传统制造技术无法制造出的复杂非线性外形；3D 打印技术可以一定程度上简化生产流程和缩短制造时间。在工程项目中，采用3D 打印技术能够制造出形状复杂的构件而不增加制造成本；采用3D 打印技术能够打破制造复杂构件的定价模式并改变计算制造成本的方式；采用3D 打印技术在一定程度上简化了制作流程，设计师在计算机中设计出模型后，可直接采用3D 打印机打印出构件，避免还需另外聘请制造人员进行构件制造的流程，降低了成本，提高了效率；采用3D 打印技术可以提高分层制造，在一定程度上减少拼装流程，实现整体设计、整体制造，例如采用3D 打印技术可以同时打印出一扇门及上面的配套铰链及门栓，可在一定程度上缩短建造及拼装时间；采用3D 打印技术可以依据需要进行制造，即时生产，减少构件的存放空间。目前，在建筑工程中，3D 打印技术在建筑土建材料建造、建筑设备材料建造等方面都有一定的应用。

1 建筑材料建造中进行3D 打印的必要性

在传统建筑工程制造工艺中，如果需要砌筑柱、梁、板、结构墙等混凝土构件，往往需要先砌筑混凝土模板，再往模板中浇筑混凝土进行混凝土构件的砌筑。现阶段用得比较多的模板主要有木模板和铝合金等金属模板。采用模板方式对混凝土构件进行砌筑，往往适用于砌筑线性标准型建筑构件。随着人们生活水平的提高，人们对建筑的外观、使用等要求也越来越高，越来越多的建筑开始采用多曲线、多曲面的非线性异形结构。然而，如果采用模板方式对多曲线、多曲面的非线性异形结构混凝土构件进行砌筑，相应的难度和成本将会大大地提高。例如，对于不规则曲面构件的砌筑，由于木模板不易加工成不规则曲面模板，故木模板砌筑法不适用于多曲线、多曲面的非线性异形结构混凝土构件；而如果采用铝合金等金属模板，则需要专门定制且不能重复利用，这会大大地增加相应的制造成本。因此，多曲线、多曲面的非线性建筑构件的制造及异形结构建筑的砌筑，是传统模板砌筑构件生产模式的难点与缺陷。而3D 打印技术主要采用分层制造技术，且制造过程无需模板进行固定，故通过3D 打印方式进行多曲线、多曲面的非线性建筑构件的制造及异形结构建筑的砌筑，能够较好地满足相应的建造要求。因此，3D 打印技术在建筑工程建造中应用越来越多。

2 建筑3D 打印的相关研究及其应用

对于混凝土3D 打印，很多学者进行了研究，不少企业也在积极开展相关应用研究和推广。同济大学的肖建庄、柏美岩、唐宇翔、马义和、陈寒、刘浩然等学者回顾了中国3D 打印混凝土技术应用历程并预测了其发展趋势。李之建、马国伟、王里等学者对3D 打印连续微筋混凝土梁受弯承载力进行了试验研究。李维红、王乾、陈旭浩、常西栋、陈宇红、裴强等学者研究了纤维对3D 打印水泥基材料力学性能的影响。外国的R.A.Buswell,W.R.Leal de Silva,S.Z.Jones,J.Dirrenberger 等学者对混凝土3D 打印给出了研究思路。F.P.Bos,E.Bosco,T.A.M.Salet 等学者研究了短直钢纤维增强三维打印混凝土的延性。Biranchi Panda,Suvash Chandra Paul,Ming Jen Tan 等学者通过研究发现纤维材料可增强三维打印建筑材料的各向异性力学性能。这些学者基于理论和试验的研究为混凝土3D 打印的应用奠定了基础。在相关学者的研究基础上，相关企业进行了3D 打印房屋的尝试。中国建筑集团有限公司通过不断试验，研究出了适合3D 打印的混凝土配方及混凝土3D 打印方法和机器（如图1 所示），并成功打印出了一栋能实际居住的房屋。外国的相关企业也利用建筑3D 打印技术，成功在一周内打印出了3 栋两层别墅。由此可见，建筑3D 打印技术正逐步走向成熟并得到越来越多建筑企业的认可。3D 打印技术除了在建筑土建逐渐得到应用外，据相关报道，在建筑给排水工程、电气工程、暖通工程中也得到了越来越多的应用。