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从“人工浇筑”到“数字成型”,3D智能建造创新建筑业态——校企联手用“打印机”盖房
2024-03-31 06:49:00  来源:新江苏客户端·中国江苏网  
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水泥、粉煤灰、硅灰、外加剂、钢纤维等六七种不同原料依次加入水泥搅拌机,一旁通过泵管相连的3D打印机以这种新型混凝土为“油墨”,按照规定路线将其挤出。不到两小时,一个免模板数字化成型、曲面线条灵动自然的3D打印非机动车车棚呈现在记者眼前。

“这款新型车棚所使用的超高性能混凝土(UHPC)是我们的最新研究成果。这种材料抗弯强度高,具有很强的防火、抗爆和抗冲击能力。”东南大学材料科学与工程学院教授张亚梅介绍,超高性能混凝土的不少原料都是工业副产品,粉煤灰是电厂出来的,硅灰是硅铁合金厂出来的,这些工业废弃物到了这里成了“宝贝”。

作为南京绿色增材智造研究院的主要技术支持力量,张亚梅团队尝试将这种超高性能材料用于大尺度构件3D打印。而这并不是张亚梅团队第一次挑战“不可能”。建成国内首个3D打印绿色装配式智慧建筑,打造国内首例原位3D打印可交付二层单体建筑……在张亚梅看来,将固废绿色再利用技术和3D打印技术相结合,本身就是建筑领域的一次变革。

传统浇筑建造中,工人需先立起模板,然后放置钢筋笼,浇筑混凝土并待其硬化后再将模板拆除,整个流程大量依赖人工,劳动效率较低。记者了解到,一个构件中模板成本约占建造总成本15%—20%,当建筑的造型不规则时,模板只能一次性使用,这也造成了浪费。据统计,我国每年建筑垃圾产生量近35亿吨,占城市垃圾总量的30%—40%,但回收利用率却很低。

能否在对传统建造模式转型升级的同时,实现建筑垃圾资源化利用?“现实中,搞设备的不懂材料,搞材料的缺少设备。”张亚梅认为,传统建筑行业要向3D智能建造转型,需要梳理解决材料研发、打印设备再到应用端的全产业链问题。2018年,张亚梅团队与南京嘉翼精密机器制造股份有限公司团队达成合作。两支团队携手南京江北新区产业技术研创园管委会,组建南京绿色增材智造研究院,共同攻克固废绿色再利用技术与建筑3D打印技术融合的难关。

“制造一台3D打印机器不算难,难的是材料的选择。第一台机器建好后,我们花了8个月才拿到合适的打印材料。”南京嘉翼董事长李进坦言,3D智能建造对材料要求特别高,混凝土硬化时间尤为讲究,工厂此前曾尝试自制打印材料,但均以失败告终。“直到张教授团队研发的新材料加入,我们的机器才真正有了用武之地。”李进说。

再生粗骨料、再生砖粉、再生砂、尾矿砂……南京绿色增材智造研究院三楼的材料研发实验室里,张亚梅向记者展示十多种3D打印原材料。为适应不同场景,张亚梅团队反复进行测试,不断改良用于3D打印的混凝土配方。“各类废弃物来源复杂、性能不稳定,资源再利用时必须要考虑其长期性能,需要掌握好添加尺度。针对不同项目需求,我们将不同废弃物复合使用,让材料为建筑服务。这也是我们材料研发与后端应用紧密结合的优势。”张亚梅说。

南京市六合区雄州街道灵岩社区卫生服务中心是一座二层小楼,红蓝两色、波浪曲线型的外观格外抢眼。这个去年完成的项目是国内首个真正意义上可居住的原位3D打印二层建筑。“不同于以往在工厂打印好构件后现场进行装配式安装,这个项目需要在现场原位进行3D打印,这也就意味着所有的突发情况只能在现场解决。”李进回忆,在项目现场各种天气环境下,添加粗骨料的打印材料泵送难度倍增,出现泵管爆裂、材料未挤出即凝固等状况。双方团队就地调整原料配比,问题一一得到解决。

3D打印设备及材料的迭代创新,不断激发建筑业新质生产力。相较传统浇筑建造,3D打印建筑的碳排放量降低约39%,是建筑全生命周期实现碳中和的重要一环。去年3月,南京嘉翼带着3D打印机器与产品首次“出海”,受到众多国外企业关注。同年9月,团队正式签约进驻中阿(联酋)产能合作示范园。李进表示,项目投用后,预估一条生产线年处理建筑垃圾50万—60万吨,年利润可达5000万元。

“发展新质生产力不是忽视、放弃传统产业。3D打印建造让建筑建造的生产效率和新材料的使用效能大幅提高,城市固废再利用技术则让智能建造更绿色低碳。”李进说。企业团队已经实施百余个3D打印项目,共拥有相关核心专利技术121件(其中发明30多件),13条生产线分布在国内9个省及阿联酋、加拿大、新加坡等多个国家和地区。

产业要“走出去”更要“落下来”。“在这过程中,所有技术都要相当成熟才能做大规模推广应用。我们希望在一个个示范项目中不断改进技术,并通过一系列标准的制定,加快推进智能建造技术的推广应用。”张亚梅说。

记者 谢诗涵 王子杰

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