基于增材制造技術的建筑新材料

蘇東波，劉澤君

（1.中國船舶集團國際工程有限公司，北京 100121；2.中國南方航空股份有限公司北京分公司，北京 102600）

增材制造（Additive Manufacturing，AM）融合了計算機輔助設計、材料加工與成型技術、以數字模型文件為基礎，通過軟件與數控系統將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫用生物材料，按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術。

1 增材制造技術及市場前景

1.1 國外、國內市場現狀及前景

增材制造技術在20世紀80年代產生，起初只是一個非商業化的技術，近10年經歷了飛速的發展，到2019年，全球增材制造產業規模達119．56億美元，增長率為29．9%，同比增長增加4．5%。據行業機構預測，到2023年，全球增材制造行業的總市值將達到327.8億美元，復合年增長率為25.76%。我國增材制造技術通過近三十年的發展，在基礎理論研究、關鍵設備的自主研發、應用領域的展都取得了豐碩的成果。目前，產業規模在2018年達到18.3億美元左右，增速維持在25%以上，同時提供增材制造服務的企業數量已經超過500家。

1.2 增材制造技術

增材制造技術省去了傳統的加工需要的多道加工工序，在一臺設備上可快速精密地制造出任意復雜形狀的零件，實現了零件“自由制造”，并且縮短了加工周期，而且產品結構越復雜，其優勢作用就越顯著。增材制造技術經過多年的發展，已經形成了一條完整的產業生態鏈，主要包括逆向工程、軟件提供商、服務提供商、系統提供商和材料五個部分。

1.3 增材制造材料

增材制造技術發展的重要基礎是當前技術條件可利用的增材材料，材料的性能決定了增材制造能否有更廣泛的應用。目前增材制造的材料種類已從過去的塑料成型擴展到了樹脂、石墨、陶瓷、金屬以及有機生物材料。我國增材制造市場的材料以樹脂、尼龍、PLA、鈦合金、不銹鋼等為主。

2 曲面外形的建筑及立面構造解決方法

2.1 曲面外型的建筑

后現代主義建筑的興起、計算機非線性輔助設計的發展，國際上出現了多位以復雜曲面造型為設計風格的建筑大師，比如扎哈·哈迪德、弗蘭克·蓋里、馬巖松等，他們的作品往往是城市的地標，吸引大眾的目光，具有很強的商業宣傳效應。隨著我國國民經濟的高速發展，生活水平提高，人們審美也有新的需求，各類復雜曲面的建筑也在各地不斷建設。

2.2 立面構造解決方法

現有技術中，復雜曲面的建筑外型主要可通過以下方法實施：混凝土型體澆筑、板材拼貼、GRC掛板。這三種方法中，混凝土型體澆筑存在適用建筑類型有限，須采用內保溫技術，存在安全隱患的問題；板材拼貼后的曲面效果不理想，曲面其實由小的平板構成，有拼縫；GRC掛板為水泥制品，缺點是自重大，施工不便，后期有開裂可能。同時，以上三種方法在實踐中都難以實現精細化曲面造型，包括鏤空、浮雕等藝術效果。

3 基于增材制造技術的建筑裝飾曲面板

增材建筑裝飾曲面板經多年研究、探索，結合材料選擇、施工技術、維護方法等因素綜合考慮，將具有復雜造型曲面的裝飾板在工廠利用增材制造技術（3D打印）設備預制完成，可實現以往技術不能實現的藝術效果，并在表面做保護涂層，達到滿足防火耐候的要求。制作完成后，在施工現場通過節點塊、增強連接構件與建筑鋼龍骨構件連接，從而達到安全、美觀的效果，對目前的復雜曲面建筑藝術性的實現度將具有極大的提高。

具體構造見圖1~圖4，其中：1-外殼保護涂層；2-曲面外殼；3-節點塊；4-增強連接構件；5-鋼龍骨系統及建筑結構（墻體）；6-插銷連接體；7-卡扣連接體；8-螺栓；9-調節桿；10-外殼底板支撐。

圖1 為實施例的效果示意圖，曲面外殼2在工廠內由3d打印技術預制完成，如圖可以呈現鏤空、浮雕等藝術效果；表面通過噴涂或電鍍技術附著外殼保護涂層1，使其具備防火防腐耐候等性能；各曲面外殼之間通過插銷連接體6連接，縫間用建筑膠塞縫，增強連接可靠度。

圖1 效果

圖2 為實施例的結構示意圖，外殼底板支撐10在工廠與曲面外殼2同時一體打印成型，保證牢固可靠；也可在考慮成本造價的前提下，將外殼底板支撐10單獨制作生產，再與曲面外殼2通過焊接、膠粘、螺栓等方式連接為一整體。

圖2 結構

圖3 為實施例的剖面圖，施工現場待預制完成的曲面外殼2進場后，將增強連接構件4與龍骨系統及建筑結構（墻體）通過螺栓連接；再將節點塊3與增強連接構件4通過螺栓8連接，如遇不規則墻面，可通過調節桿9進行調節距離，保證曲面外殼2之間的插銷連接體6可以對位連接；最后將曲面外殼2背面的底板支撐10通過卡扣連接體7與節點塊3連接，將各曲面板縫間用建筑膠塞縫，增強連接可靠度。

根據節能保溫需要，可以在鋼龍骨系統與建筑結構（墻體）之間增加保溫層，保溫層為EPS模塑發泡聚苯乙烯板、XPS擠塑發泡聚苯乙烯板、巖棉板等。

圖4 為實施例的平面圖，曲面外殼2可根據建筑外型需要及3d打印設備輸出能力確定制作尺寸，相應的節點塊3、增強連接構件4通過受力分析確定尺寸；卡扣連接體7、螺栓8、調節桿9等為標準件，各構件設計、加工、施工階段精確對位，保證建筑復雜曲面外表面的施工完成度

圖3 剖面

圖4 平面

4 結語

增材建筑裝飾曲面板具有如下優點：①將增材曲面外殼利用3d打印設備制作可生產目前技術難以實現的復雜曲面板；②將增材曲面外殼在預制工廠內完成，可控制面板質量，安全生產有保障，減少工序，縮短施工周期；③表面覆蓋外殼保護涂層的建筑裝飾曲面板可達到國家相關防火要求，滿足防腐耐候要求，同時可根據需要調節色彩和質感；④自重輕，與主體連接牢固，安全性強。