3D打印技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用展望

近年來(lái)，隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各個(gè)方面都可能運(yùn)用到3D打印技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)的目前也被廣泛的應(yīng)用于土木建筑行業(yè)之中。尤其是近年來(lái)，CAD和3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)應(yīng)用更寬泛，技術(shù)間的融合使得在建筑行業(yè)的設(shè)計(jì)上擁有了更加廣闊的發(fā)展空間。隨著3D打印技術(shù)不斷發(fā)展，3D打印建筑物技術(shù)逐漸出現(xiàn)，因此，本文主要針對(duì)3D打印技術(shù)在土木工程中的一些應(yīng)用進(jìn)行研究，希望通過(guò)本文為廣大的從事土木工程設(shè)計(jì)的相關(guān)人員提供借鑒。

目前的3D打印技術(shù)不僅可以打印出小件的工藝品，而且還可以打印出汽車來(lái)，且能夠被廣泛的應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，據(jù)了解全球的第一座3D打印建筑有望在2014年問(wèn)世，因此我們相信3D打印技術(shù)將會(huì)為土木工程帶來(lái)革命性的改變。3D打印建筑技術(shù)的基本原理是利用3D打印技術(shù)建造房屋，和其他3D打印不同的是，它需要一個(gè)巨型的三維擠出機(jī)械，并且它擠出的是混凝土，通過(guò)與計(jì)算機(jī)相連接，將設(shè)計(jì)藍(lán)圖變成實(shí)物。雖然在概念上設(shè)計(jì)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但實(shí)際上實(shí)施起來(lái)相當(dāng)復(fù)雜，要解決的技術(shù)問(wèn)題非常多。

3D打印技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用概述

1.首臺(tái)3D打印技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用

從EnricoDini發(fā)明的首臺(tái)大型的3D建筑答應(yīng)機(jī)，該機(jī)器可以將4m高的建筑材料打印在建筑物上。在這臺(tái)打印機(jī)的底部有上百個(gè)噴嘴，可以噴射出鎂質(zhì)的黏合物，并且在黏合物上噴撒沙子可以鑄成石質(zhì)的固體。通過(guò)一層層地將黏合物和沙子間進(jìn)行結(jié)合，最終打印出石質(zhì)的建筑物。3D打印在工作狀態(tài)下，通過(guò)三維打印技術(shù)沿著水平的軸梁以及垂直柱往返移動(dòng)，打印機(jī)的噴頭每次的打印的厚度僅為5～10mm左右。整個(gè)操作流程可以用電腦的CAD技術(shù)進(jìn)行操控，建造完畢之后建筑體的質(zhì)地類似于大理石，并且比混凝土的強(qiáng)度更高，不需要使用內(nèi)置鐵管加固。由此可以看出普通的混凝土是無(wú)法完成內(nèi)曲線、導(dǎo)管、分割線以及中空柱等建筑結(jié)構(gòu)，因此普通的混凝土是無(wú)法滿足當(dāng)前的3D打印建筑技術(shù)的需求。

2.目前3D打印技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用

目前的3D打印技術(shù)可以很大幅度的節(jié)約成本，并且還具有傳統(tǒng)建筑所不具有的綠色、低碳和環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。目前的3D打印技術(shù)不再需要數(shù)量非常龐大的建筑工程隊(duì)伍，從很大程度上節(jié)約了勞動(dòng)成本和提升了施工生產(chǎn)效率。而且現(xiàn)在的3D打印技術(shù)可以解決其他方式很難解決的高成本曲線建筑造型打印，并且其打印的強(qiáng)度更高，質(zhì)量更加輕的混凝土建筑物。但是就目前的3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，還不能夠完成大體積的建筑物打印，而只能夠通過(guò)打印構(gòu)件來(lái)進(jìn)行拼裝，因此3D打印技術(shù)還無(wú)法在高層建筑中進(jìn)行打印，如果要打印出幾十層的建筑物，那么就需要設(shè)計(jì)出更加龐大的打印機(jī)，并且還要解決打印結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問(wèn)題。

3D打印技術(shù)在土木工程應(yīng)用中的展望

首先，商品混凝土的原材料將會(huì)比現(xiàn)在的種類多出許多，應(yīng)用的也將更為廣泛，例如膠凝材料，未來(lái)可能將樹脂材料、特種水泥材料，甚至是鎂質(zhì)膠凝材料作為其主要材料，此外，對(duì)于粗細(xì)的要求將會(huì)更加嚴(yán)格，以滿足3D打印的實(shí)際需求，也有可能使用破碎工藝制造出現(xiàn)在沒有的材料，并且外加劑也將會(huì)產(chǎn)生較大的改變，材料運(yùn)用的不用將在混凝土中的作用也存在著巨大的差異。為了能夠滿足3D打印需求，混凝土不僅需要在空氣中快速的凝結(jié)，而且其還應(yīng)該具備優(yōu)秀的流變性，骨料的粒徑將進(jìn)一步的縮小，粒徑也更加趨于圓形，并且由于新型外加劑的使用，使得其能夠完美的解決各層間的結(jié)合

問(wèn)題。

其次，混凝土在配合比的設(shè)計(jì)上，可能還需要一些新的成熟的理論支撐，這是由于3D打印使用到的混凝土與傳統(tǒng)混凝土有很大的差別，新的混凝土的各項(xiàng)性能也存在著巨大的差異，已經(jīng)不是傳統(tǒng)的水灰比、砂率等能夠左右的，由于其性能發(fā)生了巨大的改變，如硬化能力、收縮能力等，目前的混凝土相關(guān)強(qiáng)度理論、水化理論等都無(wú)法應(yīng)用到新的混凝土中。為了進(jìn)一步的獲得更耐久、更高強(qiáng)度、更完美的拌合物性能，需要從新的角度去進(jìn)行實(shí)踐，再得到新的理論，然后再不斷的完善理論，找出新的配合比設(shè)計(jì)方法，并建立起相關(guān)的計(jì)算模型、硬化模型、壽命模型等。

最后，由于3D打印機(jī)將會(huì)隨機(jī)不間斷進(jìn)行工作，混凝土生產(chǎn)持續(xù)性上也會(huì)隨著3D打印的全過(guò)程不斷運(yùn)轉(zhuǎn)。因此整個(gè)工程施工將會(huì)在一個(gè)周期或者是一次性完成，那么這就給攪拌系統(tǒng)提出了很高的要求，使得整個(gè)攪拌工作能夠在攪拌運(yùn)輸車上完成。

結(jié)束語(yǔ)

隨著3D打印在未來(lái)的要求將不斷的提高，那么對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)的要求也將進(jìn)一步的提高，如混凝土攪拌的勻質(zhì)性、計(jì)量的精度、生產(chǎn)的效率等，所以使得商品混凝土行業(yè)的門檻也將有所提高，同時(shí)還需要經(jīng)過(guò)系統(tǒng)化專業(yè)培訓(xùn)的工作人員才能夠生產(chǎn)出更優(yōu)秀的商品，才能更好的滿足市場(chǎng)的需求。

（作者單位：徐州工程學(xué)院土木工程學(xué)院）