【混凝土科技獎】3D打印技術(shù)在建筑工程中的裝飾性建筑部品應用研究
2021年度中國混凝土與水泥制品協(xié)會(huì )
混凝土科學(xué)技術(shù)獎?技術(shù)革新類(lèi)
項目展示
2021年度中國混凝土與水泥制品協(xié)會(huì )混凝土科學(xué)技術(shù)獎工作于2021年5月啟動(dòng),至12月圓滿(mǎn)完成。報名期間共收到有效申報項目44項。經(jīng)過(guò)專(zhuān)家評審委員會(huì )的初評及終評,共計33個(gè)項目獲獎,包括一等獎1項、二等獎18項、三等獎14項,其中“科技進(jìn)步類(lèi)”16項、“技術(shù)發(fā)明類(lèi)”1項、“技術(shù)革新類(lèi)”16項。


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(xué)、彭建偉、耿天寶
3D打印即快速成型技術(shù)的一種,它是以計算機模型文件為基礎,通過(guò)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(guò)電腦控制把“打印材料”通過(guò)逐層堆積黏結的方式來(lái)制造物體的技術(shù)。而3D打印混凝土技術(shù)是在3D打印技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的應用于混凝土施工的新技術(shù),3D打印混凝土技術(shù)在打印過(guò)程中,無(wú)需傳統混凝土成型過(guò)程中的支模過(guò)程,是一種最新的混凝土無(wú)模成型技術(shù),同時(shí)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(shí)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(shù)與傳統制造工藝相比,采用3D打印這一創(chuàng )新的制造工藝為水泥基材料中的應用帶來(lái)諸多優(yōu)勢:(1)突破傳統建筑技術(shù)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(shí)的速率,并降低難度;(3)可以設計特殊的功能結構以滿(mǎn)足聲學(xué)、熱學(xué)等方面的要求;(4)更加綠色環(huán)保,可降低物耗、能耗,減少建筑業(yè)對環(huán)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(yōu)勢,3D打印混凝土技術(shù)將成為混凝土發(fā)展歷程上一次重大的轉折點(diǎn),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(zhuān)用裝飾性建筑部品的力學(xué)、耐久性能和外觀(guān)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(kāi)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(jìn)和性能評價(jià)測試、機械設備和控制系統的設計與制造等三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,最終利用3D打印建造技術(shù)建造出滿(mǎn)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(chǎn)業(yè)化,該項研究成果總結出來(lái)的方法原理可為后期利用3D打印建造技術(shù)建造傳統建筑物的研究提供借鑒與參考,從而推動(dòng)3D打印建造技術(shù)在建筑行業(yè)領(lǐng)域的推廣。
主要創(chuàng )新點(diǎn)
(1)揭示3D打印混凝土微觀(guān)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(zhuān)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(shí)間匹配性好、可工作時(shí)間可控(30-75min)、高觸變性、可泵送、擠出性好、無(wú)開(kāi)裂、尺寸穩定性好。
(3)開(kāi)發(fā)了一種評價(jià)3D打印混凝土建造性(承載力及形變量)的裝置:通過(guò)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(pán)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(dòng)化控制系統,解決傳統3D打印建筑構件效率較低的技術(shù)難題;
(5)形成裝飾性部品3D打印“鋼混協(xié)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(guān)小品效果圖

3D打印景觀(guān)小品實(shí)景圖

3D打印景觀(guān)涼亭效果圖

3D打印景觀(guān)涼亭實(shí)景圖

3D打印景觀(guān)小橋效果圖

3D打印景觀(guān)小橋實(shí)景圖
課題同步開(kāi)展了產(chǎn)業(yè)化研究,已經(jīng)承接并完成了余杭塘河流域水環(huán)境綜合治理PPP項目經(jīng)理部生活區3D打印建造景觀(guān)工程,南京瓜埠鎮豐原路橋欄桿修繕工程,南京江北新區產(chǎn)業(yè)技術(shù)研創(chuàng )園籃球場(chǎng)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(guān)工程、巢湖佰和佰楽兒童樂(lè )園景觀(guān)工程等項目,初步形成了一套“規劃-設計-生產(chǎn)-施工的3D打印建造產(chǎn)業(yè)鏈”,產(chǎn)生了良好的社會(huì )和經(jīng)濟效益。
中鐵四局集團有限公司,是世界500強企業(yè)——中國中鐵股份有限公司的“標桿”成員單位。擁有1個(gè)博士后科研工作站,2個(gè)國家級技術(shù)中心,11個(gè)省級企業(yè)技術(shù)中心,5個(gè)省級工程(技術(shù))研究中心,榮獲國家科技進(jìn)步獎12項、國家級工法24項、國家授權專(zhuān)利1611項。先后被評為“全國文明單位”“國家知識產(chǎn)權示范企業(yè)”“全國重合同守信用企業(yè)”“全國工程建設質(zhì)量管理優(yōu)秀企業(yè)”“全國建筑科技進(jìn)步與技術(shù)創(chuàng )新先進(jìn)單位”“中國品牌文化影響力十大最具價(jià)值品牌”“中國企業(yè)形象管理典范單位” “全國模范勞動(dòng)關(guān)系和諧企業(yè)”“全國質(zhì)量誠信標桿企業(yè)”“全國建筑業(yè)AAA級信用企業(yè)”等榮譽(yù)。局從2019年開(kāi)始開(kāi)展各類(lèi)3D打印設備及材料研發(fā),通過(guò)設立專(zhuān)項研發(fā)費用用于支持各子分公司積極開(kāi)展此類(lèi)攻關(guān)課題,截止目前共開(kāi)展并完成此類(lèi)課題十余項,研發(fā)費用支出約530萬(wàn)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(chǎn)學(xué)研為一體的國家高新技術(shù)企業(yè)。公司獲國家鐵路局重大科技創(chuàng )新成果1項,安徽省科學(xué)技術(shù)三等獎1項,中國中鐵科學(xué)技術(shù)一等獎2項、二等獎2項,中國交通運輸協(xié)會(huì )科學(xué)技術(shù)三等獎1項,中國混凝土與水泥協(xié)會(huì )科學(xué)技術(shù)三等獎1項,7項成果獲評建筑行業(yè)信息化典型案例,6項科技成果被股份公司認定為國際領(lǐng)先和國際先進(jìn)水平。申請知識產(chǎn)權200余項,已獲授權181項,其中發(fā)明專(zhuān)利12項。公司于2019年開(kāi)始進(jìn)行“3D打印技術(shù)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(kāi)深入研究,對裝飾性建筑部品的打印原材料的改進(jìn)和性能評價(jià)測試、機械設備和控制系統的設計與制造、現場(chǎng)配套施工工藝等三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,形成3D打印裝飾性建筑部品的產(chǎn)業(yè)化,研究成果總結出來(lái)的方法原理可為后期利用3D打印建造技術(shù)建造傳統建筑物的研究提供借鑒與參考,從而推動(dòng)3D打印建造技術(shù)在整個(gè)建筑行業(yè)領(lǐng)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(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售和服務(wù)為一體的國家高新技術(shù)企業(yè)。公司自2006年成立以來(lái),連續六年蟬聯(lián)中國混凝土外加劑行業(yè)前五強。公司對3D打印材料、打印設備及控制系統展開(kāi)深入研究,從原材料的改進(jìn)和性能評價(jià)、機械設備和控制系統的設計與制造、現場(chǎng)配套施工工藝等三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)入手,申請了“一種3D打印混凝土專(zhuān)用觸變劑”、“一種建筑3D打印機連續供料系統”等1項美國發(fā)明專(zhuān)利、5項發(fā)明專(zhuān)利和3項實(shí)用新型專(zhuān)利,技術(shù)成果榮獲第一屆全國混凝土3D打印創(chuàng )新大賽材料工程應用創(chuàng )新類(lèi)一等獎等獎項,形成3D打印裝飾性建筑部品的產(chǎn)業(yè)化,在余杭塘河流域水環(huán)境綜合治理PPP項目部景觀(guān)工程、江北新區研創(chuàng )園等項目成功應用,推動(dòng)3D打印建造技術(shù)在整個(gè)建筑行業(yè)領(lǐng)域的推廣。
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