3D打印技术在建筑工程中的装饰性建筑部品应用研究

来源：CCPA科技工作部 程倩

主要完成单位：中铁四局集团有限公司、安徽数智建造研究院有限公司、安徽中铁工程材料科技有限公司
主要完成人：于健、黄海、刘道学、彭建伟、耿天宝

项目概况
3D打印即快速成型技术的一种，它是以计算机模型文件为基础，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将粉末状金属、陶瓷或塑料等可粘合材料，通过电脑控制把“打印材料”通过逐层堆积黏结的方式来制造物体的技术。而3D打印混凝土技术是在3D打印技术的基础上发展起来的应用于混凝土施工的新技术，3D打印混凝土技术在打印过程中，无需传统混凝土成型过程中的支模过程，是一种最新的混凝土无模成型技术，同时3D打印机械在计算机软件的控制下，使用具有高度可控制挤压性的水泥基浆体材料，可以快速打印梁板柱等构件、精确定位面板和孔洞，可实现超复杂大尺寸建筑构件的三维快速制设计制作。

3D打印混凝土技术与传统制造工艺相比，采用3D打印这一创新的制造工艺为水泥基材料中的应用带来诸多优势：（1）突破传统建筑技术的限制，设计打印结构更独特的建筑；（2）可以极大提高制作复杂结构时的速率，并降低难度；（3）可以设计特殊的功能结构以满足声学、热学等方面的要求；（4）更加绿色环保，可降低物耗、能耗，减少建筑业对环境、噪声污染；（5）不需要使用模板，缩短工期，节约人工，节约成本。由于以上优势，3D打印混凝土技术将成为混凝土发展历程上一次重大的转折点，显示出广阔的前景。

本研究课题计划根据依托项目的通用和专用装饰性建筑部品的力学、耐久性能和外观尺寸造型等要求，针对性地对打印材料、打印设备及控制系统展开深入研究，对装饰性建筑部品的3D打印电子模型设计和三维转化方案、打印原材料的改进和性能评价测试、机械设备和控制系统的设计与制造等三个关键技术进行研究，最终利用3D打印建造技术建造出满足要求的装饰性建筑部品。在依托项目上成功应用，形成了3D打印装饰性建筑部品的产业化，该项研究成果总结出来的方法原理可为后期利用3D打印建造技术建造传统建筑物的研究提供借鉴与参考，从而推动3D打印建造技术在建筑行业领域的推广。

主要创新点
（1）揭示3D打印混凝土微观结构的构筑速率机理，深入分析触变剂、CSH凝胶、砂灰比、凹凸棒石等核心要素，为3D打印混凝土可打印性的调控建立理论基础。

（2）基于性能设计，研制了一种3D打印建造专用水泥基复合材料，具备以下特性：高微结构构筑速率、微结构构筑速率与打印间隔时间匹配性好、可工作时间可控（30-75min）、高触变性、可泵送、挤出性好、无开裂、尺寸稳定性好。

（3）开发了一种评价3D打印混凝土建造性（承载力及形变量）的装置：通过在3D打印混凝土试样上部加载，读取压力传感平台的加载数值和位移刻度盘的数值，得到所测3D打印混凝土的承载力与厚度、宽度的形变量。

（4）研制出3D混凝土打印机及连续供料成套装备，具备连续供料、搅拌、泵送和打印功能，包括有搅拌螺旋挤出机、连续式制浆机、螺旋泵送机和自动化控制系统，解决传统3D打印建筑构件效率较低的技术难题；

（5）形成装饰性部品3D打印“钢混协同”工艺工法，融合3D打印混凝土的成型方式和钢筋体系制作施工工艺。

应用效果

△3D打印景观小品效果图

△3D打印景观小品实景图

△3D打印景观凉亭效果图

△3D打印景观凉亭实景图

△3D打印景观小桥效果图

△3D打印景观小桥实景图

课题同步开展了产业化研究，已经承接并完成了余杭塘河流域水环境综合治理PPP项目经理部生活区3D打印建造景观工程，南京瓜埠镇丰原路桥栏杆修缮工程，南京江北新区产业技术研创园篮球场配套工程、设备用房、公交站台工程，南京南部新城3D打印景观工程、巢湖佰和佰楽儿童乐园景观工程等项目，初步形成了一套“规划-设计-生产-施工的3D打印建造产业链”，产生了良好的社会和经济效益。

企业介绍

中铁四局集团有限公司，是世界500强企业——中国中铁股份有限公司的“标杆”成员单位。拥有1个博士后科研工作站，2个国家级技术中心，11个省级企业技术中心，5个省级工程(技术)研究中心，荣获国家科技进步奖12项、国家级工法24项、国家授权专利1611项。先后被评为“全国文明单位”“国家知识产权示范企业”“全国重合同守信用企业”“全国工程建设质量管理优秀企业”“全国建筑科技进步与技术创新先进单位”“中国品牌文化影响力十大最具价值品牌”“中国企业形象管理典范单位” “全国模范劳动关系和谐企业”“全国质量诚信标杆企业”“全国建筑业AAA级信用企业”等荣誉。局从2019年开始开展各类3D打印设备及材料研发，通过设立专项研发费用用于支持各子分公司积极开展此类攻关课题，截止目前共开展并完成此类课题十余项，研发费用支出约530万元。

安徽数智建造研究院有限公司，是中铁四局集团全资子公司，是集产学研为一体的国家高新技术企业。公司获国家铁路局重大科技创新成果1项，安徽省科学技术三等奖1项，中国中铁科学技术一等奖2项、二等奖2项，中国交通运输协会科学技术三等奖1项，中国混凝土与水泥协会科学技术三等奖1项，7项成果获评建筑行业信息化典型案例，6项科技成果被股份公司认定为国际领先和国际先进水平。申请知识产权200余项，已获授权181项，其中发明专利12项。公司于2019年开始进行“3D打印技术在建筑工程中的装饰性建筑部品应用研究”，针对性地对打印材料、打印设备及控制系统展开深入研究，对装饰性建筑部品的打印原材料的改进和性能评价测试、机械设备和控制系统的设计与制造、现场配套施工工艺等三个关键技术进行研究，形成3D打印装饰性建筑部品的产业化，研究成果总结出来的方法原理可为后期利用3D打印建造技术建造传统建筑物的研究提供借鉴与参考，从而推动3D打印建造技术在整个建筑行业领域的推广。

安徽中铁工程材料科技有限公司，是一家集建筑工程材料研发、生产、销售和服务为一体的国家高新技术企业。公司自2006年成立以来，连续六年蝉联中国混凝土外加剂行业前五强。公司对3D打印材料、打印设备及控制系统展开深入研究，从原材料的改进和性能评价、机械设备和控制系统的设计与制造、现场配套施工工艺等三个关键技术入手，申请了“一种3D打印混凝土专用触变剂”、“一种建筑3D打印机连续供料系统”等1项美国发明专利、5项发明专利和3项实用新型专利，技术成果荣获第一届全国混凝土3D打印创新大赛材料工程应用创新类一等奖等奖项，形成3D打印装饰性建筑部品的产业化，在余杭塘河流域水环境综合治理PPP项目部景观工程、江北新区研创园等项目成功应用，推动3D打印建造技术在整个建筑行业领域的推广。