建筑3D打印助力美麗鄉(xiāng)村建設(shè)

3D打印混凝土技術(shù)是將3D打印技術(shù)與混凝土材料技術(shù)結(jié)合而產(chǎn)生的新的智能制造技術(shù)的一種。其主要原理是將擬打印的混凝土構(gòu)件進行3D建模和分割產(chǎn)生三維信息，然后將配制好的混凝土拌合物通過擠出裝置，按照設(shè)定好的程序，由打印頭擠出進行打印得到混凝土構(gòu)件。與傳統(tǒng)澆筑成型工藝相比，3D打印混凝土具有免模具、自動化程度高、節(jié)省人工、節(jié)省工期等優(yōu)勢，在全球人口老齡化、人工成本日益增加的背景下，建筑3D打印技術(shù)在建筑工業(yè)化和智能化的發(fā)展過程中將發(fā)揮越來越重要的作用。

近年來，隨著3D打印混凝土材料的不斷優(yōu)化、3D打印設(shè)備的不斷升級，建筑3D打印成果轉(zhuǎn)化的腳步也逐漸加快，世界范圍內(nèi)越來越多的3D打印混凝土示范工程在建筑、市政、交通、水利等領(lǐng)域成功應(yīng)用。

按建筑3D打印建造方式的不同，可將其分為原位3D打印和預制裝配式3D打印兩種方式。所謂原位打印，即在現(xiàn)場直接將主體打印成型，無需二次拼裝。原位打印對技術(shù)的要求相對較高，也面臨更多的挑戰(zhàn)，如現(xiàn)場3D打印混凝土材料的質(zhì)量控制，3D打印材料泵送、擠出和建造性之間的平衡，3D打印機的尺寸限制，3D打印的精度控制，打印路徑的選擇等。另外，現(xiàn)場打印也面臨著更加復雜的外部環(huán)境。

所謂預制裝配式，即在工廠內(nèi)完成構(gòu)件的打印，養(yǎng)護至規(guī)定齡期后，運輸至現(xiàn)場進行裝配式組裝。與原位打印相比，具有品質(zhì)容易控制、縮短工期、降低技術(shù)風險等優(yōu)勢，但在現(xiàn)場需要進行節(jié)點的處理等。

東南大學張亞梅教授團隊聚焦建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，推動建筑行業(yè)自動化、數(shù)字化和綠色低碳發(fā)展，與合作伙伴南京嘉翼共同開展了混凝土3D打印技術(shù)系統(tǒng)研究和大量工程實踐應(yīng)用，形成了從材料研發(fā)到設(shè)備研發(fā)、打印設(shè)計和生產(chǎn)、3D打印項目設(shè)計和應(yīng)用全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)體系，主要包括：(1)提出3D打印混凝土“流變性能-變形性能-力學性能”協(xié)同調(diào)控機制和方法，為3D打印低碳混凝土的設(shè)計、優(yōu)化及工程應(yīng)用提供系統(tǒng)性的理論與技術(shù)支撐；(2)研發(fā)了系列可適用不同場景使用的3D打印材料產(chǎn)品，如3D打印砂漿、含粗骨料3D打印混凝土、3D打印含固廢低碳混凝土、3D打印泡沫混凝土、3D打印輕骨料混凝土、3D打印堿激發(fā)混凝土、3D打印超高延性混凝土ECC等；(3)在打印設(shè)備方面，匹配材料性能和應(yīng)用場景，研發(fā)了砂漿打印機、粗骨料混凝土打印機、機器人機械臂打印機、可移動式打印機、大型現(xiàn)場3D打印機等多種3D打印設(shè)備，可滿足工業(yè)級不同應(yīng)用需求；(4)全國范圍內(nèi)完成了數(shù)十項3D打印示范工程建設(shè)項目，包括預制裝配式和原位3D打印等，2022年上半年完成的大型原位3D打印混凝土示范工程，實現(xiàn)了含粗骨料3D打印混凝土的現(xiàn)場連續(xù)泵送和高精度打印。

圖1 3D打印預制裝配式田頭棚建造流程

2021年，由團隊聯(lián)合合作伙伴南京嘉翼共同自主設(shè)計、研發(fā)、生產(chǎn)和施工的3D打印田頭棚在浙江東陽美麗鄉(xiāng)村建設(shè)項目中成功應(yīng)用。該項目位于浙江東陽市湖溪鎮(zhèn)下田心村內(nèi)，于2021年1月4日完工。該項目采用混凝土3D打印加鋼結(jié)構(gòu)組合的方式建成，長約9.1 m，寬約4.1 m，單層建筑面積28.8 m2。整體建筑分為兩層，一層高1.65 m，二層高5.45 m，設(shè)置了獨立的起居室、衛(wèi)生間、陽臺等，為種植主提供田間倉儲、住宿等多功能管理用房。同時，內(nèi)部集成智慧化農(nóng)業(yè)信息監(jiān)控系統(tǒng)，打造田園科技管理新模式。

圖2 浙江東陽美麗鄉(xiāng)村建設(shè)田頭棚

(東南大學 張亞梅 供稿)