什么是混凝土打印工艺？

位于比利时的坎普西创新中心（Kamp C）

在近期完成了一座两层样板房的打印工作

该样板房仅约等于90平方米

并使用了欧洲最大的固定混凝土3D打印机

在过去几年中，越来越多的设计师

愿意尝试3D打印、混凝土打印

这个独特的概念

尽管建成的建筑多为临时性建筑

但依然成为时下较为热门的建造方式

本期就来说说混凝土印刷工艺

混凝土印刷工艺为我们的设计师

在设计建筑物时提供了高度的自由度

  01. 

什么是混凝土打印

混凝土3D打印是通过利用计算机分层建模并发出程序指令，工业机器人受控逐层重复铺设材料从而构建出自由形式的建筑结构。

工艺原理：将建筑的图形设计模型转化成三维的打印路径，利用打印系统将凝结时间短、强度发展快的混凝土精确分层布料，逐层叠加累积成型，实现免模板施工。

 混凝土3D打印特点 

1、智能化：

采用建筑构件及建筑的设计数字化模型技术，实现高精度连续分层布料。

2、免模板：

采用触变性好、凝结时间可控和强度发展快的混凝土，实现无模板布料逐层堆叠成型。

3、施工工期短，施工过程无污染

当前3D打印机可在24小时内完成10栋200平方米的单层建筑。在建筑过程中，低扬尘、低噪声、低污染，并且还减少运输成本，使得建筑能耗大大降低。

4、可打印结构复杂的节点

3D打印能够生产出高度数字化的具有复杂三维内部构造的构件。

5、材料成本低

与传统的建筑相比，3D打印建筑一次成型，避免了返工和因尺寸差别而导致的材料切割所造成的浪费，节约了大量材料成本和人工成本。

  02. 

建筑3D打印机与印刷工艺

 混凝土3D打印系统 

由混凝土输料系统、混凝土布料系统、打印路径控制系统组成。三个系统在计算机控制下协同工作，实现施工过程的智能化。

 建筑3D打印机结构 

建筑3D打印机：能使布料打印头按打印路径在3维空间移动的设备及控制系统。该设备的典型形式包括：笛卡尔直角坐标结构形式、极坐标布料机结构形式和关节式机械手臂结构形式。

布料打印头：混凝土3D打印布料头一般采用螺杆挤出的形式，具有挤出均匀，无脉冲的特点，能够实现墙体打印的平整性。

打印头形式 | 图源：混凝土杂志周工

控制软件：建筑3D打印控制软件主要实现输料智能控制、布料智能控制和打印路径控制。有别于树脂类小型3D打印机控制软件，其涉及机械设备、自动化控制、软件开发等多个专业技术领域。

图源：网络，仅供参考

  03. 

混凝土打印施工工艺和材料

【混凝土3D打印施工工艺】

主要分为5个步骤：混凝土配合比设计-混凝土制备-混凝土输送-布料打印成型-成品养护。

混凝土3D打印工艺流程图 | 图源：混凝土杂志周工

【混凝土打印的“油墨”】

在3D打印建筑中，干混砂浆将广泛地作为打印机的 “墨水”。3D打印建筑干混砂浆对于材料的要求同打印混凝土的要求相类似，都要求其具有良好的可塑性等性能。其性能要求：

建筑3D打印技术对材料的要求 | 图源：混凝土杂志周工

干混砂浆是将水泥、砂、矿物掺合料及功能性添加剂按照一定比例，在专业生产厂于干燥状态下均匀拌制、混合成的一种颗粒或粉状的混合物。

然后以干粉包装或散装的形式运至工地，按规定比例加水拌和后即可直接使用的干粉砂浆材料。干混砂浆由于其使用的方便性、灵活性等而受到工程界的青睐，近年来得到了越来越广泛的应用。

  03. 

混凝土打印的应用

混凝土3D打印目前主要用以三个建筑领域。

第一个是土木工程和建筑。例如迪拜的一个项目，其中涉及高大的路柱，带有历经精心设计的楼梯以及马德里的人行天桥，是采用3D打印设计的八段式安装，然后将其作为预制件安装起来。

第二个是城市空间，包括人造珊瑚礁，花槽和迪拜抛光表面的长凳，还有一个公交车站，这些都可以依赖3D打印制造出“自由形状”。

第三个是历史和文化遗产保护。比如我国的3D打印石窟。

全球最大的3D打印建筑

迪拜政府大楼 / ApisCor 

迪拜市政府用楼将在建成之后

成为世界上最大的3D打印建筑

其高达9.5米，项目面积为640平方米

此项目由总部设在美国的ApisCor公司

来主持设计建造

而其结构也是在现场用3D打印技术直接建起的

Apis Cor是建筑工程行业中

第一家开发3D打印专用设备的公司

为迪拜市政府用楼建造

完成了一座两层的行政大楼中的3D打印墙体结构

这创新的3D打印机使建筑结构可以直接现场建造

无需任何额外的组装工作

此项目面积延展640多平方米

而这庞大的建筑

占地已经

超过了Apis Cor的3D打印机

静止状态下的最大打印面积

可移动的3D打印装置通过

起重机在场地进行移动定位

以此覆盖整个建造区域

事实上，3D打印整个建筑的墙体结构

只需要3个工人和配套的机器装置

此建筑项目的地基是传统的建筑结构

而墙壁是3D打印建造的

加固的方法是

“用钢筋和普通混凝土

来人工填充由3D打印的柱子模板”

在这个项目中

使用的3D打印材料是

由ApisCor开发并在当地生产的

一种基于石膏制成的混合物

▲ 建成照片

PERI在德国建造了第一座

3D打印的住宅建筑

PERI建造了德国第一座3D打印的居民楼

该房屋由两层独立式房屋组成

每层楼的居住空间约为80平方米并

使用3D建筑打印机进行建造

为了建造它

PERI使用了BOD2 3D打印机

该打印机可以沿着其框架

从建筑物内的任何位置移动

并且只需要校准一次

建筑物由三层皮肤的空腔墙组成

里面填充了绝缘化合物

在打印过程中，打印机会考虑到

以后要铺设的水、电等管道和连接

BOD2已通过认证

可以在进行打印的同时在打印区域内进行工作

这意味着可以轻松地将

手动工作（例如安装空管道和连接）

集成到打印过程中

在迪拜，用3D打印技术建造办公室

Killa Design 事务所

日前在迪拜构思开发了

世界上第一个功能齐全、可永久使用的

3D打印办公室

“未来办公室”

建筑物的整个结构

使用添加剂混凝土“打印”技术

使用20英尺高、120英尺长

和40英尺宽的3D打印机制造

该打印机通过一条全自动机械臂

来实现整个打印过程

全套制造流程总共持续了17天

另有2天用于构件的现场安装

后勤设施安装、室内装修、景观规划的

后续工作大约花费了3个月的时间

从这项创新式建造技术的成果能够看出

建造相同大小的房子

3D打印技术不但比传统建造方式

削减了一半以上的人力成本

同时还能将施工现场

工业垃圾的产生量降至最低

有助于减少项目的对环境的影响

 最大的混凝土3D打印步行桥 

上海-清华大学建筑学院

中南置地数字建筑研究中心

我国3D混凝土打印建造技术

进入世界先进水平
世界上最大的混凝土3D打印的人行天桥

由清华大学建筑学院- Zoina土地联合研究中心建成

中国的3D打印混凝土及施工技术

已达到世界先进水平

3D打印混凝土技术

实现了混凝土的充分利用

降低了水泥用量，降低了建筑垃圾的产生

符合当今绿色发展的主题;

但仍需要不断地对材料的选择、配制、外加剂的使用

等方面进行深入的研究，以此完善其性能的要求

更需要不断地对轮廓工艺进行完善

以实现精细施工和表面细致化的要求

使打印向精细化产品发展

本文由材料在线编辑整理，参考文献：

赵子强,熊雯：3D打印混凝土应用与研究[J].江西化工,2020(04):105-107.

苏有文，李超飞，杨婷惠，杨凯，李金：3D打印混凝土技术的建筑工程应用研究[J]．建筑技术，2017,48(1):98-100.

苏立超：混凝土3D打印拱桥[J]．中国公路，2020(5):63-65.

王香港，王申，贾鲁涛，李进，刘培善，潘金龙，张亚梅：3D打印混凝土技术在新冠肺炎防疫方舱中的应用[J]．混凝土与水泥制品，2020(4):1-4.

蒋佳宁，高育欣，吴雄，黄义雄：混凝土3D打印技术研究现状探讨与分析[J]．混凝土，2015(5):62-65.

霍亮、蔺喜强：《混凝土3D打印技术及应用》--建筑3D打印工艺对材料和设备的性能要求

混凝土周工：快硬早强混凝土3D打印施工方法及应用

感谢 材料在线

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