新技術(shù)為3D打印建筑“強(qiáng)筋健骨”

中國建材總院

在中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司（以下簡稱“中國建材總院”）混凝土科學(xué)與工程研究所混凝土3D打印技術(shù)中心門前，豎立著一個名為“對話”的混凝土雕塑作品。它由混凝土3D打印技術(shù)制作而成，融合了中國傳統(tǒng)酒器——爵和現(xiàn)代高腳酒杯兩種形象。設(shè)計(jì)者這樣解釋其內(nèi)涵：“以舊混凝土為體，融3D新技，水泥這種有200多年歷史的建筑材料煥發(fā)了新生機(jī)。”

近年來，中國建材總院在3D打印領(lǐng)域接連取得創(chuàng)新成果。在2024年舉行的第49屆日內(nèi)瓦國際發(fā)明展上，中國建材總院團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的“基于3D打印混凝土的自動縱向配筋技術(shù)”獲得金獎。

近年來，隨著綠色化、自動化成為建筑行業(yè)重要發(fā)展趨勢，混凝土3D打印技術(shù)也成為備受追捧的新型建筑技術(shù)。

混凝土3D打印技術(shù)的兩大優(yōu)勢是自動化和個性化。在自動化施工方面，混凝土3D打印技術(shù)不需要使用過多人力資源，只需借助機(jī)器和混凝土材料，便可按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的方案進(jìn)行自動化施工，大大減少作業(yè)人員，提升施工安全性。在個性化方面，3D打印也被稱為“柔性鑄造”技術(shù)，借助高自由度、高靈活性的機(jī)器和材料，其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)無模成型，還具有高精度等優(yōu)勢，尤其適合建造部分造型獨(dú)特的小型建筑物。

雖然混凝土3D打印技術(shù)潛力巨大，但在大型建筑的推廣應(yīng)用過程中，“軟骨病”是其面臨的一大難題。“大型混凝土建筑，想要扛得住、立得牢，通常要在混凝土里植入鋼筋，讓建筑有‘筋骨’。”中國建材總院混凝土科學(xué)與工程研究所所長王振地說，如果按照傳統(tǒng)配筋技術(shù)，在混凝土中直接插入鋼筋，鋼筋柱便會阻礙3D打印頭的運(yùn)動，使其無法按照原有設(shè)計(jì)路線進(jìn)行打印。要想在混凝土3D打印技術(shù)中實(shí)現(xiàn)自動配筋很困難，這也是國際上普遍面臨的一個難題。

為了破解“軟骨病”難題，作為國內(nèi)較早開展混凝土3D打印技術(shù)研究的單位之一，中國建材總院混凝土科學(xué)與工程研究所研究團(tuán)隊(duì)深入開展技術(shù)攻關(guān)，在混凝土3D打印層間縱向配筋技術(shù)上取得突破。

“國外此前的自動配筋技術(shù)，多是平行于打印界面的層間橫向配筋技術(shù)，就像是把鋼筋‘躺著’放了進(jìn)去，這種配筋方式對于建筑物垂直方向的力學(xué)性能幾乎沒有改變。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的層間縱向配筋技術(shù)，則是將鋼筋‘立著’插入混凝土中，顯著增強(qiáng)了混凝土3D打印建筑的抗拉伸和抗剪切能力。”王振地介紹，瞄準(zhǔn)層間縱向自動配筋技術(shù)，團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一整套自動配筋方法和配套設(shè)備。

這套設(shè)備包括打印裝置和配筋裝置。在打印裝置正常擠出混凝土材料的同時，配筋裝置將鋼筋切短，并可以根據(jù)不同建筑的具體結(jié)構(gòu)需求，將短鋼筋加工成n形。隨后，配筋裝置將加工好的鋼筋插入擠出的混凝土界面中，保證至少穿透兩層。這兩個裝置同時獨(dú)立運(yùn)行，有效避免了傳統(tǒng)手工配筋對打印頭行進(jìn)的阻礙，大大提高了混凝土3D打印配筋效率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，使用該技術(shù)的混凝土3D打印建筑的力學(xué)性能有了顯著提高，抗彎強(qiáng)度提高了275%，為混凝土3D打印技術(shù)大范圍推廣應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。

隨著自動配筋技術(shù)、可打印混凝土材料、強(qiáng)度評價(jià)方法等不斷完善，混凝土3D打印技術(shù)不斷拓展新應(yīng)用場景。例如，深圳國際會展中心附近坐落著全國首個3D打印景觀廣場，其中的景觀建筑物均采用混凝土3D打印方式制造。

王振地認(rèn)為，當(dāng)前，混凝土3D打印技術(shù)并非一定要用來蓋房子。其當(dāng)下有更加合適的應(yīng)用場景，如可以用于園林景觀、游樂園卡通人物造型等個性化雕塑或建筑物。他也坦言，混凝土3D打印技術(shù)仍然是新事物，在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等方面仍然存在不少空白，在推廣中面臨一定阻礙。

目前，中國建材總院等單位正逐步推動混凝土3D打印標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)體系不斷完善，行業(yè)和協(xié)會團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)數(shù)量正逐步增加。例如，針對傳統(tǒng)直拉和三點(diǎn)彎曲方法在評價(jià)3D打印混凝土界面結(jié)合強(qiáng)度時存在的難題，王振地團(tuán)隊(duì)提出了改進(jìn)型“十字交叉法”。這一方法使施加的壓應(yīng)力在界面處變?yōu)槔瓚?yīng)力，解決了3D打印混凝土界面結(jié)合強(qiáng)度評價(jià)難題，被納入為我國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為行業(yè)發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。

王振地呼吁更多科研單位、專家學(xué)者等參與到混凝土3D打印相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究制定中，為行業(yè)發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。