摘要
文章对目前3D打印技术在装配式建筑中的应用现状进行了总结,从设计阶段、打印阶段、施工阶段、物流阶段对应用场景进行论述,并对3D打印技术的发展趋势进行了探究。结论表明,3D打印是实现建筑业转型升级的重要动力源,但是现有技术仍然无法成为建筑业中可靠且经济可行的选择,仍需要进行跨学科研究,在此基础上不断提高材料和工艺的质量和性能,3D打印才有可能充分发挥其在装配式建筑中应用的潜力。
关键词
3D打印;装配式建筑;供应链
引言
3D打印技术是将原材料通过喷嘴,依据三维切片模型进行逐层堆积材料而直接得到实物的技术。该项技术得益于其独特的制造方法,大大增加了模型的几何自由度,减少了对于人工的依赖性,节省了原材料与时间,是一种低能耗、低排放的新兴技术。易于与新能源、大数据、人工智能等新兴技术实现跨界融合和多场景叠合应用,构成第四次产业革命的重要支撑和创新技 术 [1] 。3D打印技术在建筑业的应用最早始于20世纪90年代末,吸引了全球众多企业和大学的研究和参与,截至目前已经出现了40多种不同的打印技术。对于3D打印技术的研究,其主要集中于材料配比和施工方法,少有针对3D打印技术的详细讨论和分类。
01
3D打印技术分类及其在装配式建筑中的应用
在美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials, ASTM)与国际标准化组织(International Organization for Standardization, ISO)在联合发布的3D打印技术标准中,3D打印分为立体光固化、材料喷射、粘结剂喷射、粉末床熔融、材料挤出、定向能量沉积和薄材叠层七种,目前应用于国内外建筑业的主要有四种,分别为粘结剂喷射、材料挤出、粉末床熔融和定向能量沉 积 [2] 。
材料挤出是通过喷嘴挤压材料,并将其逐层沉积。该方法由Crump发明,由于其需要将打印材料从高温喷嘴中挤出沉积,因此该技术也称为熔融沉积成型技术,并以此商业化,逐渐广泛应用于建筑业和廉价个人3D打印机。例如,Khoshnevis开发的轮廓工艺技术,Gosselin等开发的名为XtreeE的六轴机械臂打印技术和应用最广的混凝土打印技术。
粘合剂喷射与材料挤出相反,由粘合剂作为油墨,选择性地将液体粘合剂喷射到每一层材料上,以将粉末粘合在一起,将粉末材料一层一层地沉积。该技术特点是成型速度较快,可彩色打印且无需支撑,常适用于较小和精度较高的零件打印,于1997年由Pegna首次提出。
粉末床熔融是以激光和电子束为能量源,选择性地熔融金属材料粉末床的工艺。此类技术主要应用于建筑中的金属及玻璃构件的制造,有利于减少材料浪费和提高生产效率。
定向能量沉积是利用热能融化材料,使其逐层沉积,主要用于打印大尺寸金属构件和修复受损金属零件。对于薄板层压工艺,Fabrisonic曾开发出一种超声波3D打印系统,并可用于建筑业金属构件制造,但由于其制造成本过高,尚未在建筑业得到成功应用。
经实践证明,在建筑业能够成功应用的3D打印技术主要为材料挤出、粘合剂喷射和粉末床熔融。表1按照时间顺序梳理了3D打印技术在装配式建筑中的应用,并分别介绍了不同技术的特点。从3D打印技术的发展路径可以得出结论:3D打印在建筑业的发展过程从非现场化走向现场化和移动化,从单一材料走向多种材料和复合材料,从打印墙体再到打印与建筑相关的塑料构件、金属构件和玻璃构件等,既有大型的龙门式打印系统,也有小型机器人和无人飞行打印系统。
02
应用场景
3D打印在非标准化构件上具有明显优势,生产成本低且效率高,为装配式建筑的个性化设计提供了解决方案。在传统的制造技术下,结构复杂性和其制造成本呈正相关,因此产品设计很大程度受限于制造水平,建筑的设计往往形式比较单一,而3D打印有利于推动“设计为了制造”过渡到“制造为了设计”。3D打印技术有助于建立一个包含3D打印、BIM、客户、设计师的数据共享云平台,促进客户与设计师的交流,推进供应链的信息化和数字 化 [3] 。3D打印与BIM结合的打印过程为:BIM—三维模型—切片—切层合并—3D打印—实物。BIM为3D打印提供了数据支持,有助于为装配式建筑的打印提供精准空间定位信息,完成高精度打印,还可以结合增强现实技术、热成像技术、激光技术等提高建筑的可视化,发达的信息网络和完整、全面的建筑工程信息库可以促进多方协作,保障建筑设计与施工,提高供应链运作效率,推动建筑业转型升级。另外,3D打印有助于实现拓扑优化,通过改变形状和结构,利用更少的材料实现更多的功能,保障建筑质量、降低建筑重量,同时通过在缝隙中填入其他材料为建筑赋能,如隔热或隔音 等 [4] 。
建筑3D打印与装配过程如图1所示,其主要适用于多层建筑。先在工厂中打印构件,在施工现场完成地基后,将构件运输到施工现场进行装配,然后局部浇筑混凝土,最后修饰外立面,这一过程与装配式建筑的施工方式相似。3D打印不仅可以打印单面墙体,也可以打印建筑外饰面和内部家具构件,最终通过装配得到成品建筑。在装配式建筑中,3D打印还可用于构件模板的打印。模板是预制混凝土构件生产的重要装置和设施,其质量直接影响构件的成型和构件的质量。目前,钢模板是构件生产企业广泛使用的一种模板,其刚度大,变形小,使用寿命长,但成本投资较大,回收利用率低。由Laing O'Rourke开发的FreeFAB蜡制模板可以通过较细小的喷嘴打印预制构件模板,这种蜡模板可以以较低的精度快速创建,随后可以通过铣削技术切割成精确的形状,在使用完成后可以加热回收该材料,并重新利用。实证研究表明,FreeFAB将整个模具制造时间缩短了6.5 倍 [5] 。虽然蜡制模板取材容易、成本较低,但是此类技术在工艺和材料上仍需要进一步探索和实证,其是否会像木制模板受热遇湿后变形,刚度与打印速度是否能支撑大批量混凝土构件生产,仍有待进一步研究探索。
在施工现场经常面临构件组装时产生误差较大的问题,其往往会导致构件需要现场替换甚至返厂再造。3D打印可以现场扫描并打印所需缺损部分或填充物,从而减少在制造、建造和现场修改过程中花费的时间。麻省理工学院开发了一种移动数字化建筑平台,利用快速挤出的泡沫作为模板用于现场设计,扫描和打印所需构件。3D打印同样可以现场打印特殊的套管、吊架、零件等,还可以检测需要维修的区域,并使用3D打印在损坏区域进行维修或直接打印。例如,西门子通过铣削部门表面损坏区域,然后通过3D打印新的材料层维修燃气轮机燃烧器,以使其继续运转或满足新的设计要求。
装配式建筑构件的生产速度较慢,往往需要提前生产构件,将生产出的构件在工厂或施工现场进行存放,以备使用,而建筑构件由于体积大,易损坏,在运输、存放、吊装的过程中需要严格保护,对于物流和存储具有较高的要求。3D打印可以灵活生产,减轻库存压力。制造商利用3D打印按需生产的能力,可以及时生产客户所需的构件,减少库存成本,还有助于供应链随时加入新的合作企业,减少备件库存的准备量和投入,将相关成本投入更新设计以反馈需求。此外,由于3D打印具有拓扑优化的能力,建筑构件重量会较轻,因此运输和存放的保护难度可能会减小。
03
3D打印技术发展趋势
混凝土打印和预制生产的成本在实证研究对比下,可以将整体的建筑成本降低25%,节约的成本主要来自于模板和人工。而在打印单面墙体时,则混凝土打印成本较高。由此可见,构件的复杂程度与3D打印的成本效益和生产率呈正比。
Krimi 等 [6] 以法国某建筑公司为例,讨论了预制生产和混凝土打印的建造速度和盈亏平衡。实证表明混凝土打印的生产速度高于预制生产,并远高于现浇生产,这是由于3D打印可以实现高度自动化,24 h连续施工,但是限制于每天8 h施工时间,则预制生产效率高于混凝土打印,且不计算3D打印构件后续需要处理表面纹理的时间。最后结合成本计算出3D打印与传统建造方式的盈亏平衡点。3D打印的成本是恒定的,而传统方法的成本与生产数量成反比,前者适合于小批量生产和复杂构件制造,后者适合大批量生产。因此,节省时间和成本未必是应用3D打印于建筑业的优势,个性化定制、复杂结构制造和灵活生产才是关键优势。
Mohan 等 [7] 总结了目前混凝土打印的主要问题在于材料的稳固性和耐久性,需进一步探索抗拉强度和延展性较好,又同时不损失3D打印固有灵活性的材料。Anton 等 [8] 通过跨学科的合作和实验开发了一个用于定制柱状体构件的自动3D混凝土打印预制平台,用于生产复杂结构的柱状预制构件,能够提供稳定的固化环境,实现复杂结构的混凝土打印,目的是推动大规模构件3D打印在装配式建筑中的应用。结果表明,经混凝土打印的预制柱状构件的耐用性仍需改善。构件在室外条件下10个月便出现了裂缝,证明其暂不适合直接暴露于户外条件,耐用性低。而且,3D打印混凝土目前的几何复杂度仍然有限,需要不断改良打印系统,寻找稳定高效的油墨材料和打印速率,虽然在打印复杂结构构件上具有明显优势,但是当预制柱体较为常规时,则不具备与传统建造方式竞争的实力。
新型油墨材料可以为建筑赋能。Winsun使用回收垃圾作为油墨材料,如工业固废、建筑固废、矿山的尾渣、煤矸石等,并且其目前正在开发在油墨中加入石墨烯。石墨烯由于其在光学、力学、电学具有出色的表现,能够吸收电磁波和声波,具有良好的导热性、导电性和防水 性 [9] 。经过试验证明,在每升油墨中加入0.35 g石墨烯,可以减少一半对水泥的使用需求,建筑的强度、抗压、抗弯性大大提高,并且减少了由于混凝土吸热排放的大量温室气体。在每升油墨中加入0.8 g石墨烯,建筑的防水性将提高400%,耐用性也得到提高。
目前,3D打印建筑企业及同类公司面临的主要问题是缺乏3D打印建筑的验收标准和规范,相关法律法规不明确。3D打印建筑使用的油墨材料和传统的混凝土相似,但在结构上具有很大区别,因此3D打印建筑的验收标准不同于传统建筑,而且需要长时间的探索和研究,使3D打印建造技术达到一个成熟与稳定的状态,这一过程需要与高校和科研机构合作。就目前情况来看,由于乡村的建筑不需要复杂的审批和验收,短期内大多数3D打印建筑应用的场景可能会在乡村。
04
结语
建筑业的数字化程度和自动化程度是最低的行业之一,虽然BIM和预制生产提高了施工效率和建筑质量,降低了工程成本并提高了施工安全 性 [10-12] 。但是模板化、批量化的生产方式导致了建筑的单一化和标准化,3D打印虽然能够实现低成本的复杂结构制造,满足个性化设计,但是其在装配式建筑中的规模应用仍在实验与研究阶段,尚未有成熟可靠的技术与工艺,材料的稳固性和耐久性仍待进一步研究和探索。本文总结了3D打印技术在装配式建筑中的发展现状和未来的发展方向,其具有可观的前景和市场,但是仍然需要进行跨学科研究,研究使用多种材料、多种工艺进行打印的方式。
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只看楼主 我来说两句 抢板凳3D打印在非标准化构件上具有明显优势,生产成本低且效率高,为装配式建筑的个性化设计提供了解决方案。
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