面向多场景的新型建筑3D打印发展综述及关键科学问题

建筑3D打印是推动智能建造与建筑工业化协同发展、实现我国城镇化建设高质量发展目标的重要路径。自2015年以来,全球建筑3D打印研究热度及项目实践呈现出飞速增长趋势,亟待从建筑设计层面出发,实现以设计思维引领的全局规划。本文对国内外建筑3D打印的总体发展趋势、建造策略、打印装备、控制软件、应用场景及固废打印材料等方面进行调研分析,从材料制备,到构件设计,再到系统整合3个层次提出开展新型建筑3D打印相关研究应解决的3个关键问题,并有针对性地提出应重点关注的3个方向:设计引领、装备创新、性能驱动,以指导“十四五”国家重点研发计划项目的研究。

建筑3D打印用胶凝材料及其相关性能研究进展

3D打印是一种基于数学模型利用机械设备增材制造的快速成型技术。近年来,3D打印在建筑行业得到快速发展。相对于传统成型工艺,建筑3D打印技术具有无需模板支撑、施工方便、设计自由度高等优点,因此受到了全世界研究人员和学者的广泛关注。当前,普通硅酸盐水泥、快硬早强型特种水泥、复合型普通水泥、碱激发胶凝材料及石膏基胶凝材料等五大类胶凝材料在3D打印中已得到了一定的应用,但仍然存在不少问题。例如,一方面,与传统泵送混凝土不同,3D打印混凝土需要较快的凝结时间和强度发展速率来满足层间结构的压力,而普通硅酸盐水泥长达45 min的初凝时间和不迟于360 min的终凝时间无法满足打印构件层间作用力快速增长的要求;另一方面,水泥基3D打印胶凝材料的构件层间抵抗弯矩、剪力的能力不足。碱激发胶凝材料应用于3D打印主要存在凝结时间难以调控、体积收缩率大、容易产生开裂等问题。而石膏基胶凝材料存在耐水性差等问题。因此,对3D打印胶凝材料的开发与调控仍是很长一段时间内3D打印建筑研究的重点之一。与此同时,3D打印技术在建筑行业应用的缺点也很突出:3D打印过程中无模板支撑,以逐层叠加的方式成型,一方面,无法直接添加钢筋,从而导致抗弯强度较低,另一方面,打印过程中造成的层间弱面和引入的空隙在一定程度上成为打印结构潜在的缺陷,造成构件的非均质性,削弱了结构的整体承载能力和长期耐久性能等,从而阻碍其广泛应用。这也意味着其成型工艺对新拌混凝土的性能及在3D打印中的特性提出了更高的挑战。本文归纳了建筑3D打印用胶凝材料及其相关性能研究进展,分别对普通硅酸盐水泥、快硬早强型特种水泥、复合型普通水泥、碱激发胶凝材料及石膏基胶凝材料等五大类胶凝材料在建筑3D打印中的应用研究以及3D打印浆体的凝结时间与开放时间、流动性、挤出性、可建造性、粘结强度、各向异性强度及耐久性进行介绍,并总结了3D打印胶凝材料结构或构件的应用,分析了目前建筑3D打印面临的问题并展望其前景,以期为3D打印技术在建筑行业的应用及推动其进步提供参考。

固废基建筑3D打印材料的制备及性能研究

研究了建筑垃圾(微粉、再生砂)和钢渣(粉、砂)单、双组分固废对建筑3D打印材料可打印性和力学性能的影响,并优选出了最佳配合比。结果表明:采用单组分固废较难实现固废的大掺量(>50%)利用;与同条件下的单组分固废相比,双组分固废基建筑3D打印材料的可打印性得到一定改善,其中,当m钢渣砂∶m再生砂=1∶1、m钢渣粉∶m微粉=7∶3时,JS4组打印材料的可打印性和可建造性总体上显著优于其他组;与浇筑试件相比,打印试件Y、Z方向的抗折强度相差较小,但X、Y、Z方向的抗压强度明显较低。

基于EthernetKRL实时通讯的库卡机械臂在线建筑3D打印控制研究与应用

建筑行业的工业化、智能化程度远落后于制造业等其他行业。建筑领域劳动力短缺、成本增加等问题与机器人技术高速发展相契合,建筑业的智能转型升级是推动建筑业持续健康发展的必然趋势。本文根据建筑3D打印的特殊性,设计了一种新型的行走式建筑3D打印机器人,发挥移动机械臂的移动性和灵活性等优势,覆盖普通民用住宅的打印范围。通过库卡的Ethernet KRL实时通讯协议,可实现机器人控制系统与上位机的数据通信;本文设计开发了一套在线控制及3D打印运动仿真软件,解决了传统机械臂示教编程的缺点,实现机械臂3D打印程序的自动规划、安全避障、运动仿真和在线运动控制。本文重点研究了基于Ethernet KRL实时通讯的机器人在线打印程序控制、墙体打印过程中可能涉及到的两侧墙体障碍点提前避障及运动仿真验证,以及基于运动学原理对建筑3D打印过程中六轴机械臂可能会经过的奇异点算法规避和运动仿真验证,避免机器人在打印过程中发生意外碰撞和奇异点停机的情况,确保墙体打印过程的完整性。

混凝土建筑3D打印计算机模拟研究综述

总结了国内外混凝土建筑3D打印计算机模拟研究现状,介绍了计算机模拟技术在建筑3D打印性能以及流动性、堆积性和形态检测中的应用情况,并对计算机模拟技术在建筑3D打印中的应用进行了展望。

建筑3D打印胶凝材料工程性能评价体系研究

在相关研究的基础上归纳总结了建筑3D打印胶凝材料的工程性能,包括可打印性、力学性能等,其中,可打印性包括流动性、可挤出性、可建造性、凝结时间、一次打印长度、挤出形态质量等;力学性能包括抗折强度与抗压强度。此外,选取可打印性与力学性能所包含的指标作为影响因子,利用层次分析法确定了因子权重,提出了因子赋值标准及评价结果分级标准,建立了建筑3D打印胶凝材料的工程性能评价体系,并设计正交试验计算性能指标值,对材料的工程性能进行了评价,可为3D打印胶凝材料工程性能相关研究提供参考。

建筑3D打印数字建造技术研究应用综述

3D打印技术起源于20世纪80年代末,也称为"增材制造"或"快速原型"技术。21世纪以来,随着3D打印技术的引入,数字建造成为了建筑领域数字化发展的趋势。本文对国内外现有建筑3D打印技术相关研究及应用情况进行了分析,依据使用材料和打印工艺将目前主要建筑3D打印技术归纳为三类:基于混凝土分层喷挤叠加的增材建造方法、基于砂石粉末分层粘合叠加的增材建造方法和大型机械臂驱动的材料三维构造建造方法。文章对未来建筑3D打印的研究方向提出了若干展望,包括材料理论及新材料研发、机械设备及工艺改良、软硬件协同和智能化控制研究、3D打印构件及结构力学性能研究、技术适用性及工作模式研究、技术标准体系研究、社会经济效益评价研究等方面。

基于挤出固化的建筑3D打印装置设计及验证

建筑3D打印技术是一种全新的自动化建造技术,在大尺寸建筑结构的自动建造中应用潜力巨大,而国内外关于建筑3D打印技术的研究尚处于起步阶段。本文针对建筑3D打印工艺中的挤出固化打印技术,集成数控技术、机械技术、计算机技术等设计研制了一套建筑3D打印装置,该打印装置由控制系统、XYZ运动系统、挤出系统、数据处理系统等模块组成,并且给出了各系统模块的具体技术参数。最后通过一个基于挤出固化的建筑3D打印实验,验证了本文中设计的基于挤出固化建筑3D打印装置的合理性,并对实验装置、实验材料以及实验验证的全部过程进行了系统分析。实验分析结果表明该建筑3D打印装置具备良好的集成控制功能,可以完成建筑信息模型的实体化建造。

多元参与视角下我国建筑3D打印研究应用综述

建筑3D打印是新时代极具潜力的一种建造方式,对我国建筑业的转型升级有重大意义。从多元参与的视角,分别概括我国科研院所、市场机构和政府部门多元主体主导的建筑3D打印研究应用现状,找出目前我国从事建筑3D打印的主流科研院所和市场机构,梳理我国建筑3D打印理论、技术和应用等方面的研究成果,总结我国建筑3D打印领域的政策标准和政企合作实践,发现我国建筑3D打印领域存在科研院所成果局限性较大、市场机构核心竞争力较弱、政府部门扶持力度不足以及多元合作度较低等四个方面的不足,进而提出完善打印技术与理论、出台产业标准与政策以及协同多元合作与发展等三个方面的对策建议。

原位建筑3D打印两层办公室的施工关键技术

总结了两层办公室项目的原位3D打印施工关键技术。设计开发了具有模块化、高精度、多功能等技术特点大型建筑3D打印机;开发了适合现场3D打印施工的专用添加剂,现场搅拌制备出性能优良的、适合现场施工的3D打印混凝土;提出了一种打印建筑竖向钢筋笼放置和连接方法,解决了打印混凝土结构构造柱根部节点与基础连接的施工难题;通过材料技术和自动化喷雾养护施工技术,有效克服了普通硅酸盐水泥基打印材料的收缩开裂。

建筑3D打印技术及材料的研究进展

3D打印技术在建筑领域的研究与应用逐渐成为世界范围内的热点研究课题之一,建筑3D打印材料的研究与开发是3D打印技术在建筑领域应用的重点和难点。本文回顾了3D打印技术的发展历程,在总结国内外建筑3D打印技术的基础上,重点介绍了建筑3D打印材料的研究状况和进展,并对目前建筑3D打印材料的应用和问题进行了概括,对建筑3D打印材料未来的发展进行了展望。

基于共词分析的建筑3D打印研究

为厘清国内外建筑3D打印研究差异与研究特征,利用UCINET软件,对Web of science和中国知网数据库中近10年以来建筑3D打印领域发表的英、中文献进行共词分析。并借助可视化图谱和多元统计学方法中的系统聚类,探讨建筑3D打印研究的现状和热点。研究发现:在建筑3D打印领域,国外学者注重打印材料的研究,并关注到非金属材料的应用;而国内学者则对打印设备研究居多,注意到打印设备的尺寸以及机器人群组打印建筑。最后对研究主题聚焦点进行总结,阐明研究启示。

建筑3D打印机机械系统及控制方案设计

目前,建筑3D打印作为这项新兴技术的一个分支备受社会关注,故提出了一种建筑3D打印机机械系统与控制系统方案。采用龙门式的结构以及链传动的传动方式设计了一种建筑用3D打印机机械结构,并利用有限元分析论证了机械方案的可行性。选用固高公司的运动控制卡对打印机控制系统进行设计,阐述了控制思路与打印流程。结论表明,3D打印技术应用于建筑行业切实可行,对于解决传统建筑行业结构单一、材料利用率低等问题具有重要意义。

浅析混凝土建筑3D打印技术及其线宽控制方法

建筑3D打印技术为建筑行业打开了新的格局,机械化施工、智能施工、绿色建造成为现今的趋势。基于此,综述了建筑3D打印技术的优势和目前存在的问题,针对混凝土3D打印中线宽控制问题,展开了详细的因素分析,并展示了实际打印试验效果。针对不同试验工况,通过多次试验测试,提出了相应的解决措施及改进方法,优化了打印工艺各参数间的最优关系,现场实现了较理想的打印状态和效果。

建筑3D打印水泥基材料及性能测试研究进展

近年来,3D打印技术在建筑工程领域的研究及应用受到越来越多国内外学者的关注。结合3D打印技术在国内外建筑领域已取得的成果,主要介绍了建筑3D打印在水泥基材料及性能测试两个方面的研究进展,并对水泥基3D打印存在的问题进行了分析,以期为以后建筑3D打印技术的研究提供借鉴。

建筑3D打印数字建造的应用探索——以南京市江宁污水处理设备用房为例

随着近年来3D技术的迅速发展,建筑行业在不断受其影响,3D技术也开始全面融入其中。本文通过对建筑3D技术的应用现状进行分析,阐述建筑3D技术的优越性,提出其难点和不足,并结合南京市江宁污水处理设备用房的案例,分析3D技术在建筑领域的应用趋势,为建筑3D提出一些具有参考价值的新思路。

粉煤灰改性水泥基材料在建筑3D打印中的研究现状及应用探索

介绍了将粉煤灰资源的利用与双碳目标深度融合和以粉煤灰循环利用推进双碳目标,对提高煤炭资源循环利用率和加快发展低碳绿色建筑的重要意义。并对粉煤灰水泥基材料实现3D打印低碳建筑进行了相关讨论和研究。着重介绍了以粉煤灰改性水泥基材料作为建筑3D打印材料的可打印性、可建造性、流变性以及微观表征等性能的研究进展,并探索和研究了粉煤灰改性水泥基打印绿色材料在建筑3D打印中的应用,最后得出了粉煤灰改性水泥基材料在建筑3D打印技术中的结论和展望。研究成果旨在为提高粉煤灰等低碳绿色材料的综合利用率和低碳节能技术的发展提供参考。

建筑3D打印中BIM技术应用的研究分析

随着我国经济的快速增长,建筑行业也逐步的向低能耗、低污染、精细化施工转变。通过BIM下的三维信息化软件建立模型;拆分及优化模型;将BIM模型导入到建筑3D打印机中进行打印模型。模型可以用来进行多设计方案对比、实体展示施工方案与进度部署、打印异形构件等工作。从应用流程及应用范围上对建筑3D打印技术和BIM技术进行了详细的研究与分析,进而对未来建筑业二者相互结合共同发展的趋势进行了展望,使得建筑3D打印技术与BIM技术的合作共同推动工业化建筑成为可能。

建筑3D打印数字建造技术研究应用综述

随着建筑行业逐步向绿色、环保的新型建筑形式发展,高消耗、用资源换效益的生产方式已经越来越难以为继,建筑行业需要寻找新的建造方式,建筑 3D 打印数字建造技术被认为是推动建筑业转型发展的有效途径之一。本文对国内外建筑 3D 打印数字建造技术研究应用进行阐述,列举了典型的建筑 3D 打印数字建造技术应用案例,同时分析了发展趋势。最后,总结指出建筑 3D 打印技术作为新的建造技术,仍处于起步阶段,在复杂、异形、批量化构件上可以尝试应用。

建筑3D打印专利成本计算

为了预估3D打印建筑的成本,需要研究3D打印建筑的专利技术价格的衡量问题。通过经济学相关理论和数学推导构建3D打印建筑专利成本计算公式,可以促使引进、使用专利的一方预估出专利价格,更好地进行专利的交易。