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房子也能3D打印?独门独户住宅造1座只需24小时
发布时间:2018-12-16 15:03 来源:须臾千秋

  摘要:3D打印技术的应用非常广泛,连建筑这种传统上的傻大黑粗都分分钟拿下。其使用的是一种加入玻璃、塑料等纤维的特殊混凝土,通过分段打印实现高层建筑建造,不仅可以满足高端住宅的需要,也能满足中低收入人群的居住需求。

  现如今,3D打印早已不是什么新鲜事了。

  3D打印的应用面非常广,从航空航天领域的精密零件,到医生手中严丝合缝的支架,再到设计师手中精美的珠宝、服饰和雕塑,都可以通过3D打印来完成。

(3D打印出精致的航空零件)

  但你是否知道,与精密相对,另一个极端,也就是最为傻大黑粗——建筑,也可以通过3D打印来制造?

  (一)傻大黑粗的建筑,为什么要3D打印?

  其实,3D打印建筑最造并不起源于3D打印,而是起源于“建筑机器人”。

  上世纪70年代,由于人工成本的攀升,工程师们开始研究使用机器人来代替工人进行外墙安装、水泥浇筑等简单重复但又十分危险工作。当时,发达国家陆续开发出了混凝土喷射机器人、混凝土铺面修整机器人、钢梁防火层喷涂机器人、壁面爬行机器人等。它们极大地降低了劳动力成本,提高了工作效率。

(混凝土破拆机器人,可以破拆混凝土的同时留下钢筋网)

  到了21世纪,3D打印技术的工程应用逐渐成熟,建筑师们也开始考虑:与其使用这些种类繁多、零零碎碎的建筑机器人,何不直接搞一个“大一统”,将整栋建筑干脆3D打印出来,这得省去多少麻烦!

  于是,建筑师们设计出了这样一种3D打印体系:采用一个几厘米粗的喷嘴,像普通3D打印那样一层一层地挤出特制的砂浆来。砂浆在空气中迅速硬化形成强度,并在上面覆盖新的一层,进而逐渐打印出整座建筑。

(3D打印建筑的过程)

  采用这种3D打印的方法,一座独门独户的住宅可以在24小时内建造完毕。尽管3D打印的设备昂贵、材料费用较高,但是全过程几乎不需要任何人力,工期也接近于零。人力与工期,节省出这两个“吞金巨兽”,3D打印建筑绝对值了。

  而考虑到环保,3D打印建筑更是一骑绝尘。据统计,由于3D打印允许对构件进行更加精密的设计,相比起普通建筑,3D打印建筑可以节约20%的建筑材料。此外,3D打印还完全省去了模板的环节。昂贵的木制或钢质模板,本身就是一类污染高、寿命短的建筑用具。淘汰模板对建筑行业整体的绿色化意义重大。

(混凝土模板)

  整个过程下来,3D打印较之传统建筑方案可以节省40%的建筑成本,将生产效率提高4倍,是建筑行业真正的“未来科技”。

  (二)3D打印建筑的材料很特别,是一种特殊配比的混凝土

  一般的建筑,其结构构件通常使用的是钢筋混凝土:先编好结实的钢筋笼,再将混凝土浇筑上去。等混凝土硬化以后,坚硬而脆的混凝土承担压力,里面坚韧的钢筋笼则承担拉力。这样,无论是抗压的柱、墙,还是抗弯的梁、板,钢筋混凝土都可以轻易胜任。

  然而,钢筋混凝土结构的修建极其耗费人工,尤其是绑扎钢筋笼,是一件纯手工劳动。可是不绑扎钢筋,混凝土这种脆性材料无法单独工作。3D打印建筑不可能打印出钢筋来,那这个问题该怎么解决呢?

(一处典型的钢筋笼)

  3D打印建筑所使用的材料是一种特殊的混凝土。首先,它的骨料介于砂石之间,级配和粒径都很好,可以被喷嘴很好地接纳,同时浆体-骨料比保持优良状态。此外,3D打印混凝土具有良好的速硬功能。“打印机”走上一圈几分钟下来,下面一层的混凝土就该硬化了,不然两层软塌塌地混在一起,建筑就盖不起来了。

  3D打印混凝土最关键的技术,就是其如何在没有钢筋的配合下保持抗弯能力。为此,工程师们向材料中掺加了一定量的玻璃纤维、复合塑料纤维等。这种掺加了纤维的混凝土具有了一定的抗拉性能,不会像传统混凝土那样抗压能力很厉害却一掰就断。虽然与钢筋仍有一定的差距,但是用作3D打印的墙壁、斜屋顶等构件,强度上是绰绰有余的。利用这种方式打印出的建筑具有明显的层状结构,但由于材料的胶凝性能出色,层与层之间连接紧密,故而防水能力同样优良。

(3D打印建筑的外观)

  在实际生产中,3D打印建筑的原料凝结很快,不能预先配好用搅拌车运到现场;而其比例又很精密,不能像普通工地那样让工人在现场配制。因此,3D打印的混凝土通常是以干混砂浆的形式出现的。它将水泥、砂、纤维及外加剂预先按照一定的比例混合,然后以整袋包装的形式运到现场,在打印机中与水按严密的比例混合,现制现用。

(工业化生产的干混砂浆,质量和均匀性都比现场更有保障)

  此外,3D打印使用的混凝土还可以吸纳多种工业垃圾。像各类矿山尾矿、高炉矿渣、建筑废料等材料,经过预先精确的研究后,都可以掺入3D打印混凝土中,有些甚至可以增强混凝土的性能。

  (三)3D打印想要盖高,可以分段打印

  然而,3D打印建筑也存在着许多缺陷。

  这种技术通常适用于单层、独栋住宅。想要打印2、3层的建筑也不是不可以,但是一旦涉及到二楼以上的楼板,考虑到楼板上面还要放东西、住人,3D打印建筑缺钢筋的问题就会凸显出来。这时候,只能采用一些得不偿失的补救措施,例如增加拱顶、减小跨距、增加支撑等。这不仅降低了3D打印出的多层住宅的经济效益,还严重影响了用户的使用舒适性。

  此外,要打印的建筑越大,需要的建筑打印机也就越大,进而精度就越差。大型的建筑打印机,每厘米的精度不足3个像素点,这在其它工程领域看来几乎是个笑话,但对建筑的3D打印来说已经是极限了。这样的精度下,建筑的强度、抗裂性能、封闭性能也就可想而知了。

(青岛制造的世界最大3D建筑打印机,长宽高12米,重达120吨)

  对于多层建筑,工程上通常采用“分段打印”的方式来建设。首先,设计师将房屋拆成若干个较小的结构单元,在工厂中预先打印出来。待到构件形成强度、性能过关之后,再运到现场进行拼装。这个过程只是比直接打印略微麻烦了一点,多了现场拼装的一步;但分段打印构件的精度高,拼接本身不成问题。而且打印的建筑规模不受打印机的限制,即使是几十层的高层建筑,只要设计合理,分段打印、拼装出来完全不成问题。可以说,分段打印才是未来3D打印建筑的大趋势。

(安装中的3D打印建筑构件)

  (四)建筑的3D打印正规化、商业化正在中国一步步推进

  在建筑的3D打印方面,中国始终走在时代的前列。有人说,“中国是唯一一个真正掌握了3D打印建筑的国家。”这句话虽然夸张,但目前,中国确实是唯一一个能够生产出“可堪一用”的3D建筑的国家。

  2015年1月18日,中国向世界展示了全球最高的3D打印建筑“6层楼居住房”和全球首个带内装、外装一体化的1100平方米精装别墅。

  这些3D打印的房子,都是事先在工厂中分楼层打印好,切割后运到现场,再配之以现浇楼板,在整体安全性、功能性上可以达到与普通建筑不相上下的程度。在未来,施工现场布置几台3D打印机,然后完整地打印出一二百米高的高层建筑并不是梦。

  至于独栋别墅的打印技术,目前已经相对成熟。一套别墅的打印价格只有100万元,相比起大城市别墅的售价而言基本可以忽略。今后,别墅的业主可以定制个性化的房子。同一个小区的几百栋建筑可以做到结构千差万别,安全性却有保障。

  而更加成熟的单层建筑打印技术早已远销海外,这种3D打印住宅仅埃及一国就订购了两万套。

(3D打印的别墅)

  目前,中国正在编制3D打印建筑产业相关规范标准,并与国外的先进科研力量合作,将建筑3D的正规化、商业化一步步推行下去。在未来,3D打印的建筑一定会占满我们的大街小巷,为我们营造科幻之城、绿色之城。

  结语

  建筑3D打印技术不仅可以满足高端住宅的需要,也能满足中低收入人群的需要。在未来,中国的3D打印建筑将在中东、非洲等地设厂,就地取材,使用沙漠中的砂子作为优质骨料,配合国产的3D打印混凝土配方,为低收入人群提供便宜又舒适的房子。

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