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                                3D打印技術開啟未來建筑之門

                                2022-04-28來源:新華日報

                                   高達10層的靈動流線曲面造型,通過固廢處置再利用制成的圓形外立面,虛擬與現實耦合工程管理系統的智能建造技術——在南京江北新區市民中心游客服務中心,記者被眼前的這座現代化建筑所震撼。作為全國首例3D打印全裝配式綠色智慧建筑,這里不久前斬獲中國建筑行業工程質量最高榮譽獎魯班獎。一系列“硬核”科技加持的背后,3D打印技術無疑是最驚艷的一筆。

                                 
                                  正如20世紀初,鋼筋混凝土技術對建筑學產生深遠影響,當下3D打印技術也正重塑建筑新業態。4月20日—29日,“增材建造與材料運算”國際學術研討會在線舉行,中外多所高校學者圍繞3D打印技術展開討論。這項技術如何改變傳統建造模式?普通材料如何“變身”成為3D打印可用的“超材料”?《科技周刊》記者采訪相關專家,為大家揭秘。
                                 
                                  免模板無廢料
                                  輕松打造自由曲面
                                 
                                  將預先設計好的3D數字建筑模型“輸入”3D打印機器人系統,由機械臂一層層“擠出”特制的“油墨”——建筑材料,逐層堆積并黏合為建筑實體。3D打印建筑誕生的過程并不難理解,但實際上,從減材制造轉變為增材制造,模式上“質的飛躍”是建筑數字化轉型的關鍵所在。
                                 
                                  “傳統的減材制造是在原料基礎上將不需要的部分去除,保留需要的部分,就好像我們量體裁衣,在不斷修剪布料后最終縫制成合適的衣服;而以3D打印技術為代表的增材制造技術則是在建造過程中逐步將材料累加,最終形成所需要的物品。這種逐層堆積的特性意味著制作全程沒有廢料,完全貼合需求。”南京綠色增材智造研究院院長、東南大學材料科學與工程學院教授張亞梅向記者介紹,由于免模板、設計自由、節約材料、縮短工期、少人工等優點,3D打印技術近年來頗受建筑業人士關注。“立模、配筋、現澆、拆除模板的傳統建造方式過程復雜,開模和人工成本高,而使用3D打印技術則無需制作模板,且采用智能化控制工藝,工期可縮短約30%—80%。”
                                 
                                  迪拜未來基金會(DFF)創造的世界首個3D打印商業大樓高6米,長36.5米,寬約12.1米,而這個擁有未來主義外表的辦公樓其實只用了一臺3D打印機,打印時間僅耗費17天,安裝僅耗時2天,需要的人力比傳統建筑節省50%,所產生的建筑垃圾也減少了60%。
                                 
                                  無需模板,意味著建筑形狀不受限制,3D打印技術下的設計自由度更高。在上海寶山智慧灣科技園內,由清華大學建筑學院徐衛國教授團隊設計并建造的3D打印書屋去年剛剛啟用。這座曲面形體的書屋采用空心墻體設計,建筑表面的兩種獨特肌理交相輝映,讓人仿若置身科幻大片之中;以莫比烏斯環為原型,荷蘭一家建筑事務所利用3D打印技術創造了一間“沒有起點也沒有終點”的莫比烏斯屋。帶狀的空間中,天花板與地板相互輪換,給人奇妙的視覺體驗。
                                 
                                  “基于力學結構的運算和3D數字建模,就可以通過3D打印技術在現實中1:1還原。”東南大學建筑學院副教授華好表示,在建筑設計中,考慮到曲面模板難度大、復雜程度高等多種原因,不規則的自由曲線造型常常讓很多設計師望而卻步,而借助無需模板、全自動化操作的3D打印技術,讓許多傳統方式無法制成的復雜造型得以實現,賦予了建筑空間無限可能。
                                 
                                  拓撲優化塑造未知
                                  建筑“超材料”應運而生
                                 
                                  在荷蘭阿姆斯特丹的一個廢棄工業區中,一間由3D打印技術建造而成的8平方米城市小屋吸引了不少路人的注意。獨特的幾何外立面由可降解黑色生物材料打印制成,為小屋帶來了足夠的絕緣保溫效果和極低材料消耗;幾何墻板內部的獨特蜂窩塑料結構,既為墻壁“減了負”,也為小屋提供穩定支撐。目光轉向江蘇南京,2020年11月,全球最大的改性塑料3D打印建造體——南京歡樂谷主題樂園東大門正式投入使用?;谟嬎阈詭缀蔚亩嗑S雙曲面在多孔性穿透下得到無限擴展,跨度長達30米的異形不規則懸挑不僅展現了設計難度,更展現了建造精度。
                                 
                                  物理現實和數字世界之間的聯系日益緊密,數字化設計與建造所涉及的規模與復雜度均在增加,使當今的軟件工具和生產設備也變得日益復雜。設計、制造和建筑之間的信息回路變得至關重要,支撐設計的數據結構正迅速成為建筑研究和設計的核心部分。在3D打印制造模式中,材料本身不再是客觀的先決條件,而是一個有待被塑造的積極因素。
                                 
                                  “現有的增材建造技術體系依然受制于傳統工藝與傳統材料,普通材料的3D打印往往難以保證建筑結構的最優性能,也使得3D打印建筑的獨特優勢無法充分彰顯。”華好向記者解釋,得益于3D打印技術與優化算法的結合,人們如今完全有能力通過改造材料性能,在微觀層面對普通材料進行性能重塑,從而創造一批建筑領域的“超材料”,其中一項關鍵的運算化設計技術為“拓撲優化”。
                                 
                                  在拓撲優化后,材料的熱脹冷縮屬性可以被轉變為熱縮冷脹;使用的打印原料是厚重的金屬,但生成的墻體卻可以像羽毛一樣輕盈。2017年,“云亭”亮相于上海城市空間藝術季臨港聯合展開幕儀式,這座復雜曲面造型的抽象空間正是通過拓撲優化實現。“云亭”以加入特殊纖維的熱塑性高分子材料為3D打印原料,使其兼具強度高、韌性好、易加工等優勢。“建筑物要堅固,這是建筑設計的基本需求,但在3D打印技術的助推下,牢固不一定非要依靠鋼材、混凝土,數字化制造的建筑材料也可以又輕又硬。”華好說。
                                 
                                  更綠色更智能
                                  讓更多人有房可住
                                 
                                  今年年初,住建部發布《“十四五”建筑業發展規劃》,其中明確提出,要加快智能建造與新型建筑工業化協同發展。大力推進3D打印建筑,實際上也是智能建造中的重要一環。
                                 
                                  歷經幾十載的飛速發展,3D打印技術已經一步步融入醫療、生物、設計等各領域,而在建筑領域,3D打印建筑才剛剛起步。大膽暢想,未來3D打印建筑的墻面或許可以像生物的毛孔一樣,當環境溫度較高時,它可以通過微觀尺寸的空洞進行通風;而當環境溫度較低時,這些極其微小的“窗戶”便會自動密封。“屆時,人造材料也可以模仿自然界的材料,在傳統建造模式下無法想象的仿生結構,也許可以成為現實。”華好認為,鑒于3D打印建筑的高度定制化,“一幢一樣,每戶不同”,未來的房屋可以更好地滿足每個人個性化的居住需求。
                                 
                                  在張亞梅看來,盡管不斷有新材料橫空出世,但不論是智能建造還是智慧城市,未來3D打印建筑的原料仍將會以混凝土結構為主。因此,如何提升鋼筋混凝土結構性能對于3D打印建筑未來發展來說至關重要。
                                 
                                  在安徽合肥廬陽文創園內,由建筑廢料回收材料3D打印而成的垃圾分類回收站,展示了混凝土與固廢相結合的新可能。建筑垃圾經由專用破碎機清洗粉碎后,篩分出合適的顆粒,由實驗室通過配比數據和試驗,“回爐重造”成為打印原料。“隨著城市化進程的加快,建筑固廢問題也愈發嚴重,利用3D打印技術將固廢資源化利用,無疑激活了建筑固廢的‘第二生命’。”張亞梅說。
                                 
                                  目前,全球多家初創公司正在利用3D打印技術,在24小時甚至更短的時間內建造出適合居住的房屋。美國3D打印創業公司ICON和非營利組織New Story合作,為墨西哥農村低收入家庭和生活在惡劣環境中的人們提供負擔得起的3D打印住房。借助一臺大型3D打印機,該協作團隊已經建造了整個3D打印住宅社區,每個房子的建造時間不到24小時,面積為500平方英尺(約合46.5平方米),屋頂、窗戶和內部裝飾一應俱全。New Story團隊表示,我們面臨的挑戰是巨大的,全球有超過10億人生活在無瓦遮頭的地方。為了降低這個數字,必須要提升規?;芰?。
                                 
                                  “隨著社會老齡化程度加深,建筑工人的數量也持續下降。投入較少的人力,就可以進行建筑的大規模生產,3D打印建筑既解決了建筑工人之‘渴’,也能夠幫助更多人有房可住。”張亞梅進一步表示,未來3D打印建筑要想更大規模發展,材料和技術上的發展瓶頸也不容忽視。“例如3D打印技術可以分別打印混凝土和鋼筋,卻無法同步進行打印。配筋問題沒有得到很好的解決,這在一定程度上限制了3D打印建筑的發展。”

                                 


                                責任編輯:王子祺
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