【混凝土】建筑3d打印技术必将实现产业化

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    建筑3d打印技术必将实现产业化

■本报记者 袁岚

再次与河北工业大学副校长兼土木与交通学院院长马国伟见面，已是1个月之后。10月中旬，记者曾在第二届建筑3d打印国际会议上与马国伟见面，并祝贺他及其研究团队完成了世界上第一座装配式3d打印桥梁，也是世界上单跨最长的混凝土3d打印桥梁之一。该桥坐落于河北工业大学校园内，是按照古时赵州桥的结构形式设计打印后现场装配的，单拱跨度18.04米，桥长28.10米。此消息一出，各大媒体、网络平台纷纷报道。近1个多月来，网上有关“3d打印赵州桥”的热度依然不减。马国伟笑着说：“许多人告诉我‘3d打印赵州桥’上‘热搜’了，真没想到，大家对混凝土3d打印技术这么关注。这是好事，可以推动这项技术在建筑领域的应用，推进我国建筑行业向绿色化、工业化、智能化方向发展。”

“据我了解，随着混凝土3d打印技术的不断完善，越来越多的物品都可以由3d打印完成。除了可以打印笔筒、花盆等小的物件，还可以打印公园里的景观亭、雕塑等，甚至有人在进行楼房的3d打印。而您为什么会想到要用建筑3d打印技术打印赵州桥呢？”记者好奇地问。

马国伟说：“研究团队希望把3d打印混凝土结构方面的研究成果做一些展示，但由于目前还没有有关3d打印结构的设计标准和规范，从安全角度考虑，确定了打印景观建筑的方向。我们设计了许多方案，考虑过打印大雁塔、定州塔等一些适合3d打印的景观，但最终确定打印赵州桥。首先是考虑赵州桥位于河北省境内，而河北工业大学坐落在天津，这样有助于在校园内弘扬河北文化，特别是赵州桥是一座具有千年历史的，世界上现存年代最久远、跨度最大的单孔坦弧敞肩石拱桥。此外，这座桥在美化校园环境的同时，还具有实用性，它是连接东区宿舍与教学楼、图书馆的重要通道。该项目是研究团队围绕智能建造在新材料、新结构、新工艺实际工程应用方面的一次大胆尝试。”

马国伟告诉记者，混凝土3d打印是一种将水泥基复合材料逐层堆叠的新型增材制造技术，因其无模化、自动化、快速化和灵活化的建造优势在建筑、桥梁、基础设施等领域迅速兴起，并表现出巨大发展潜力。该3d打印赵州桥项目在3d打印材料和结构设计、信息化和智能化建造、智能监测、造型美学等方面有所创新，研究团队不断反复研究试验，对不同方案进行比选，最终桥的主拱按钢筋混凝土设计规范进行了设计，保证了结构安全。主拱由七大片结构并排组成，每片60厘米宽，分3块打印，在打印外围永久性结构后加入钢筋，将3块合在一起进行混凝土浇筑而构成一片。桥的腹拱、侧墙、栏杆和桥面板等在打印过程中采用了多种工艺。

混凝土是3d打印的“墨水”，将膏体状态的混凝土通过搅拌机搅拌后输送到打印机器“喷头”位置，随后在程序控制下将混凝土通过喷头挤出，逐层打印成型，所以“墨水”是最为重要的。据马国伟教授介绍，在3d打印赵州桥项目中，研究团队与尧柏水泥集团合作，精选高贝利特硫铝酸盐特种水泥基复合材料，不断优化原材料矿物化学组成、颗粒细度，所使用材料具有速凝快硬、水化放热低、早期强度高的早龄期材料特性，同时具有优异的低收缩、微膨胀、高抗裂、自修复的长期工作性能。通过科学设计材料配合比，协调3d打印工艺参数，借助人工神经网络算法，量化适用于超大尺寸3d打印的水泥基复合材料的流变特性参数区间，以满足快速打印承重结构的要求。桥梁建造过程中同时还应用了基于局域共振原理的混凝土超材料、再生玻璃钢纤维混凝土材料、磷酸镁水泥基高强粘结材料等新型高性能混凝土。

3d打印作为一项新兴技术，是一种颠覆传统的全新建造模式。马国伟教授团队与北方工程设计研究院合作将bim数字化模型成功运用在3d打印过程中，开发了基于拓扑优化的路径规划算法等虚拟仿真技术，同时应用三维激光扫描技术，生成点云数据，精细化校验3d打印混凝土构件成型精度。借助3d数字化模型，虚拟仿真桥梁的装配建造过程，优选施工建造方案。构件成型后，使用了体外拉索预应力，大大增强了3d打印桥梁主拱结构的整体承载性能。

在谈到3d打印施工特点时，马国伟教授介绍说，相比传统的施工建造，3d打印无需提供模板与支撑，可节省约1/3的建筑材料和2/3的人工，高度自动化的打印过程可大大提高建造效率，是推动装配式建筑与智能建造发展的革新技术。同时，混凝土3d打印技术适合定制化打印异形构件，施工速度快，可以利用打印出的特殊纹理赋予建筑特殊表皮，还可以运用于古建筑保护中，精准恢复古建筑的残损、遗失部分。

在采访的过程中，马国伟多次提到3d打印赵州桥的安全性问题。他说：“由于目前还没有3d打印结构的设计规范、监理和验收标准，所以我们这个桥不能以常规的造桥的标准和规范来衡量，它的定位应该是一个实验桥。我们在桥梁的打印过程中放置了许多内嵌式智能传感器，并应用北斗卫星、无人机等一体化健康监测技术，以及物联网云平台集成系统，借助5g无线数据传输为这座桥的长期健康监测保驾护航。同时，我们也是在收集桥梁长期的承载性能、耐久性能等参数，为进一步改进和优化3d打印方案，未来推广此项技术积累扎实的、切实可信的、全方位的实验数据和科学依据。”

同时，马国伟也提到，就目前建筑3d打印行业标准、技术规范等的缺失，河北工业大学、东南大学、中国建材研究总院等单位已开始编制《3d打印混凝土材料性能试验方法》《3d打印混凝土基本力学性能试验方法标准》《3d打印水泥基材料界面结合强度实验方法》。

马国伟高兴地告诉记者：“为推广建筑3d打印技术，我与王里博士共同出版了《水泥基材料3d打印关键技术》，前不久，获得了2019年度国家科学技术学术著作出版基金。这本书马上就要与读者见面了。”据介绍，其中总结归纳了3d打印的基本概念、优势特点、发展历程、应用领域及发展趋势，介绍了典型工业级3d打印技术的基本原理、打印机类别、材料特性及发展应用等，以及3d打印技术在建筑领域的发展应用，同时分析了水泥基材料3d打印技术面临的机遇与挑战。该书系统探讨了水泥基材料3d可打印性的量化指标和测试方法，为材料的配制明确了思路。借助超声等无损检测方法，建立了基于水泥基材料流变特性的参数化调控方法。同时，总结了三维模型的创建方法、模型设计与分层切片算法等，以及3d打印软件系统的设计与控制，如路径规划设计、精度控制等。同时，以尾矿砂纤维混凝土的制备为例详细探讨了水泥基材料3d可打印性能，建立了基于挤出性和建造性的设计方法。实验测试了3d打印水泥基材料的力学各向异性及路径规划对宏观力学行为的影响机制，为改善3d打印结构的整体性能和层间弱面，提高承载能力，提出了多种增强方法和措施。最后，该书对水泥基材料3d打印在建筑结构装配式、建筑信息化和工业化及联合应用人工智能等方面的发展前景进行了思考和展望。

马国伟说：“未来，我和我的研究团队将进一步完善建筑3d打印技术，提升3d打印装配式建筑信息化和智能化水平，最终让建筑3d打印技术走出实验室，真正实现产业化。”

责编：张文斋 审核：王怡洁