3D打印技術在建筑工程中的裝飾性建筑部品應用研究
時間：2023-01-11 13:25 來源：CCPA科技工作部 程倩 作者：admin 閱讀：次
主要完成單位：中鐵四局集團有限公司、安徽數智建造研究院有限公司、安徽中鐵工程材料科技有限公司
主要完成人：于健、黃海、劉道學、彭建偉、耿天寶
項目概況
3D打印即快速成型技術的一種，它是以計算機模型文件為基礎，通過軟件分層離散和數控成型系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將粉末狀金屬、陶瓷或塑料等可粘合材料，通過電腦控制把“打印材料”通過逐層堆積黏結的方式來制造物體的技術。而3D打印混凝土技術是在3D打印技術的基礎上發展起來的應用于混凝土施工的新技術，3D打印混凝土技術在打印過程中，無需傳統混凝土成型過程中的支模過程，是一種最新的混凝土無模成型技術，同時3D打印機械在計算機軟件的控制下，使用具有高度可控制擠壓性的水泥基漿體材料，可以快速打印梁板柱等構件、精確定位面板和孔洞，可實現超復雜大尺寸建筑構件的三維快速制設計制作。
3D打印混凝土技術與傳統制造工藝相比，采用3D打印這一創新的制造工藝為水泥基材料中的應用帶來諸多優勢：（1）突破傳統建筑技術的限制，設計打印結構更獨特的建筑；（2）可以極大提高制作復雜結構時的速率，并降低難度；（3）可以設計特殊的功能結構以滿足聲學、熱學等方面的要求；（4）更加綠色環保，可降低物耗、能耗，減少建筑業對環境、噪聲污染；（5）不需要使用模板，縮短工期，節約人工，節約成本。由于以上優勢，3D打印混凝土技術將成為混凝土發展歷程上一次重大的轉折點，顯示出廣闊的前景。
本研究課題計劃根據依托項目的通用和專用裝飾性建筑部品的力學、耐久性能和外觀尺寸造型等要求，針對性地對打印材料、打印設備及控制系統展開深入研究，對裝飾性建筑部品的3D打印電子模型設計和三維轉化方案、打印原材料的改進和性能評價測試、機械設備和控制系統的設計與制造等三個關鍵技術進行研究，最終利用3D打印建造技術建造出滿足要求的裝飾性建筑部品。在依托項目上成功應用，形成了3D打印裝飾性建筑部品的產業化，該項研究成果總結出來的方法原理可為后期利用3D打印建造技術建造傳統建筑物的研究提供借鑒與參考，從而推動3D打印建造技術在建筑行業領域的推廣。
主要創新點
（1）揭示3D打印混凝土微觀結構的構筑速率機理，深入分析觸變劑、CSH凝膠、砂灰比、凹凸棒石等核心要素，為3D打印混凝土可打印性的調控建立理論基礎。
（2）基于性能設計，研制了一種3D打印建造專用水泥基復合材料，具備以下特性：高微結構構筑速率、微結構構筑速率與打印間隔時間匹配性好、可工作時間可控（30-75min）、高觸變性、可泵送、擠出性好、無開裂、尺寸穩定性好。
（3）開發了一種評價3D打印混凝土建造性（承載力及形變量）的裝置：通過在3D打印混凝土試樣上部加載，讀取壓力傳感平臺的加載數值和位移刻度盤的數值，得到所測3D打印混凝土的承載力與厚度、寬度的形變量。
（4）研制出3D混凝土打印機及連續供料成套裝備，具備連續供料、攪拌、泵送和打印功能，包括有攪拌螺旋擠出機、連續式制漿機、螺旋泵送機和自動化控制系統，解決傳統3D打印建筑構件效率較低的技術難題；
（5）形成裝飾性部品3D打印“鋼混協同”工藝工法，融合3D打印混凝土的成型方式和鋼筋體系制作施工工藝。
應用效果
課題同步開展了產業化研究，已經承接并完成了余杭塘河流域水環境綜合治理PPP項目經理部生活區3D打印建造景觀工程，南京瓜埠鎮豐原路橋欄桿修繕工程，南京江北新區產業技術研創園籃球場配套工程、設備用房、公交站臺工程，南京南部新城3D打印景觀工程、巢湖佰和佰楽兒童樂園景觀工程等項目，初步形成了一套“規劃-設計-生產-施工的3D打印建造產業鏈”，產生了良好的社會和經濟效益。
企業介紹
中鐵四局集團有限公司，是世界500強企業——中國中鐵股份有限公司的“標桿”成員單位。擁有1個博士后科研工作站，2個國家級技術中心，11個省級企業技術中心，5個省級工程(技術)研究中心，榮獲國家科技進步獎12項、國家級工法24項、國家授權專利1611項。先后被評為“全國文明單位”“國家知識產權示范企業”“全國重合同守信用企業”“全國工程建設質量管理優秀企業”“全國建筑科技進步與技術創新先進單位”“中國品牌文化影響力十大最具價值品牌”“中國企業形象管理典范單位” “全國模范勞動關系和諧企業”“全國質量誠信標桿企業”“全國建筑業AAA級信用企業”等榮譽。局從2019年開始開展各類3D打印設備及材料研發，通過設立專項研發費用用于支持各子分公司積極開展此類攻關課題，截止目前共開展并完成此類課題十余項，研發費用支出約530萬元。
安徽數智建造研究院有限公司，是中鐵四局集團全資子公司，是集產學研為一體的國家高新技術企業。公司獲國家鐵路局重大科技創新成果1項，安徽省科學技術三等獎1項，中國中鐵科學技術一等獎2項、二等獎2項，中國交通運輸協會科學技術三等獎1項，中國混凝土與水泥協會科學技術三等獎1項，7項成果獲評建筑行業信息化典型案例，6項科技成果被股份公司認定為國際領先和國際先進水平。申請知識產權200余項，已獲授權181項，其中發明專利12項。公司于2019年開始進行“3D打印技術在建筑工程中的裝飾性建筑部品應用研究”，針對性地對打印材料、打印設備及控制系統展開深入研究，對裝飾性建筑部品的打印原材料的改進和性能評價測試、機械設備和控制系統的設計與制造、現場配套施工工藝等三個關鍵技術進行研究，形成3D打印裝飾性建筑部品的產業化，研究成果總結出來的方法原理可為后期利用3D打印建造技術建造傳統建筑物的研究提供借鑒與參考，從而推動3D打印建造技術在整個建筑行業領域的推廣。
安徽中鐵工程材料科技有限公司，是一家集建筑工程材料研發、生產、銷售和服務為一體的國家高新技術企業。公司自2006年成立以來，連續六年蟬聯中國混凝土外加劑行業前五強。公司對3D打印材料、打印設備及控制系統展開深入研究，從原材料的改進和性能評價、機械設備和控制系統的設計與制造、現場配套施工工藝等三個關鍵技術入手，申請了“一種3D打印混凝土專用觸變劑”、“一種建筑3D打印機連續供料系統”等1項美國發明專利、5項發明專利和3項實用新型專利，技術成果榮獲第一屆全國混凝土3D打印創新大賽材料工程應用創新類一等獎等獎項，形成3D打印裝飾性建筑部品的產業化，在余杭塘河流域水環境綜合治理PPP項目部景觀工程、江北新區研創園等項目成功應用，推動3D打印建造技術在整個建筑行業領域的推廣。
主要完成人：于健、黃海、劉道學、彭建偉、耿天寶
項目概況
3D打印即快速成型技術的一種，它是以計算機模型文件為基礎，通過軟件分層離散和數控成型系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將粉末狀金屬、陶瓷或塑料等可粘合材料，通過電腦控制把“打印材料”通過逐層堆積黏結的方式來制造物體的技術。而3D打印混凝土技術是在3D打印技術的基礎上發展起來的應用于混凝土施工的新技術，3D打印混凝土技術在打印過程中，無需傳統混凝土成型過程中的支模過程，是一種最新的混凝土無模成型技術，同時3D打印機械在計算機軟件的控制下，使用具有高度可控制擠壓性的水泥基漿體材料，可以快速打印梁板柱等構件、精確定位面板和孔洞，可實現超復雜大尺寸建筑構件的三維快速制設計制作。
3D打印混凝土技術與傳統制造工藝相比，采用3D打印這一創新的制造工藝為水泥基材料中的應用帶來諸多優勢：（1）突破傳統建筑技術的限制，設計打印結構更獨特的建筑；（2）可以極大提高制作復雜結構時的速率，并降低難度；（3）可以設計特殊的功能結構以滿足聲學、熱學等方面的要求；（4）更加綠色環保，可降低物耗、能耗，減少建筑業對環境、噪聲污染；（5）不需要使用模板，縮短工期，節約人工，節約成本。由于以上優勢，3D打印混凝土技術將成為混凝土發展歷程上一次重大的轉折點，顯示出廣闊的前景。
本研究課題計劃根據依托項目的通用和專用裝飾性建筑部品的力學、耐久性能和外觀尺寸造型等要求，針對性地對打印材料、打印設備及控制系統展開深入研究，對裝飾性建筑部品的3D打印電子模型設計和三維轉化方案、打印原材料的改進和性能評價測試、機械設備和控制系統的設計與制造等三個關鍵技術進行研究，最終利用3D打印建造技術建造出滿足要求的裝飾性建筑部品。在依托項目上成功應用，形成了3D打印裝飾性建筑部品的產業化，該項研究成果總結出來的方法原理可為后期利用3D打印建造技術建造傳統建筑物的研究提供借鑒與參考，從而推動3D打印建造技術在建筑行業領域的推廣。
主要創新點
（1）揭示3D打印混凝土微觀結構的構筑速率機理，深入分析觸變劑、CSH凝膠、砂灰比、凹凸棒石等核心要素，為3D打印混凝土可打印性的調控建立理論基礎。
（2）基于性能設計，研制了一種3D打印建造專用水泥基復合材料，具備以下特性：高微結構構筑速率、微結構構筑速率與打印間隔時間匹配性好、可工作時間可控（30-75min）、高觸變性、可泵送、擠出性好、無開裂、尺寸穩定性好。
（3）開發了一種評價3D打印混凝土建造性（承載力及形變量）的裝置：通過在3D打印混凝土試樣上部加載，讀取壓力傳感平臺的加載數值和位移刻度盤的數值，得到所測3D打印混凝土的承載力與厚度、寬度的形變量。
（4）研制出3D混凝土打印機及連續供料成套裝備，具備連續供料、攪拌、泵送和打印功能，包括有攪拌螺旋擠出機、連續式制漿機、螺旋泵送機和自動化控制系統，解決傳統3D打印建筑構件效率較低的技術難題；
（5）形成裝飾性部品3D打印“鋼混協同”工藝工法，融合3D打印混凝土的成型方式和鋼筋體系制作施工工藝。
應用效果
△3D打印景觀小品效果圖
△3D打印景觀小品實景圖
△3D打印景觀涼亭效果圖
△3D打印景觀涼亭實景圖
△3D打印景觀小橋效果圖
△3D打印景觀小橋實景圖
課題同步開展了產業化研究，已經承接并完成了余杭塘河流域水環境綜合治理PPP項目經理部生活區3D打印建造景觀工程，南京瓜埠鎮豐原路橋欄桿修繕工程，南京江北新區產業技術研創園籃球場配套工程、設備用房、公交站臺工程，南京南部新城3D打印景觀工程、巢湖佰和佰楽兒童樂園景觀工程等項目，初步形成了一套“規劃-設計-生產-施工的3D打印建造產業鏈”，產生了良好的社會和經濟效益。
企業介紹
中鐵四局集團有限公司，是世界500強企業——中國中鐵股份有限公司的“標桿”成員單位。擁有1個博士后科研工作站，2個國家級技術中心，11個省級企業技術中心，5個省級工程(技術)研究中心，榮獲國家科技進步獎12項、國家級工法24項、國家授權專利1611項。先后被評為“全國文明單位”“國家知識產權示范企業”“全國重合同守信用企業”“全國工程建設質量管理優秀企業”“全國建筑科技進步與技術創新先進單位”“中國品牌文化影響力十大最具價值品牌”“中國企業形象管理典范單位” “全國模范勞動關系和諧企業”“全國質量誠信標桿企業”“全國建筑業AAA級信用企業”等榮譽。局從2019年開始開展各類3D打印設備及材料研發，通過設立專項研發費用用于支持各子分公司積極開展此類攻關課題，截止目前共開展并完成此類課題十余項，研發費用支出約530萬元。
安徽數智建造研究院有限公司，是中鐵四局集團全資子公司，是集產學研為一體的國家高新技術企業。公司獲國家鐵路局重大科技創新成果1項，安徽省科學技術三等獎1項，中國中鐵科學技術一等獎2項、二等獎2項，中國交通運輸協會科學技術三等獎1項，中國混凝土與水泥協會科學技術三等獎1項，7項成果獲評建筑行業信息化典型案例，6項科技成果被股份公司認定為國際領先和國際先進水平。申請知識產權200余項，已獲授權181項，其中發明專利12項。公司于2019年開始進行“3D打印技術在建筑工程中的裝飾性建筑部品應用研究”，針對性地對打印材料、打印設備及控制系統展開深入研究，對裝飾性建筑部品的打印原材料的改進和性能評價測試、機械設備和控制系統的設計與制造、現場配套施工工藝等三個關鍵技術進行研究，形成3D打印裝飾性建筑部品的產業化，研究成果總結出來的方法原理可為后期利用3D打印建造技術建造傳統建筑物的研究提供借鑒與參考，從而推動3D打印建造技術在整個建筑行業領域的推廣。
安徽中鐵工程材料科技有限公司，是一家集建筑工程材料研發、生產、銷售和服務為一體的國家高新技術企業。公司自2006年成立以來，連續六年蟬聯中國混凝土外加劑行業前五強。公司對3D打印材料、打印設備及控制系統展開深入研究，從原材料的改進和性能評價、機械設備和控制系統的設計與制造、現場配套施工工藝等三個關鍵技術入手，申請了“一種3D打印混凝土專用觸變劑”、“一種建筑3D打印機連續供料系統”等1項美國發明專利、5項發明專利和3項實用新型專利，技術成果榮獲第一屆全國混凝土3D打印創新大賽材料工程應用創新類一等獎等獎項，形成3D打印裝飾性建筑部品的產業化，在余杭塘河流域水環境綜合治理PPP項目部景觀工程、江北新區研創園等項目成功應用，推動3D打印建造技術在整個建筑行業領域的推廣。
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