建筑3D打印助力美麗鄉村建設

3D打印混凝土技術是將3D打印技術與混凝土材料技術結合而產生的新的智能制造技術的一種。其主要原理是將擬打印的混凝土構件進行3D建模和分割產生三維信息，然后將配制好的混凝土拌合物通過擠出裝置，按照設定好的程序，由打印頭擠出進行打印得到混凝土構件。與傳統澆筑成型工藝相比，3D打印混凝土具有免模具、自動化程度高、節省人工、節省工期等優勢，在全球人口老齡化、人工成本日益增加的背景下，建筑3D打印技術在建筑工業化和智能化的發展過程中將發揮越來越重要的作用。

近年來，隨著3D打印混凝土材料的不斷優化、3D打印設備的不斷升級，建筑3D打印成果轉化的腳步也逐漸加快，世界范圍內越來越多的3D打印混凝土示范工程在建筑、市政、交通、水利等領域成功應用。

按建筑3D打印建造方式的不同，可將其分為原位3D打印和預制裝配式3D打印兩種方式。所謂原位打印，即在現場直接將主體打印成型，無需二次拼裝。原位打印對技術的要求相對較高，也面臨更多的挑戰，如現場3D打印混凝土材料的質量控制，3D打印材料泵送、擠出和建造性之間的平衡，3D打印機的尺寸限制，3D打印的精度控制，打印路徑的選擇等。另外，現場打印也面臨著更加復雜的外部環境。

所謂預制裝配式，即在工廠內完成構件的打印，養護至規定齡期后，運輸至現場進行裝配式組裝。與原位打印相比，具有品質容易控制、縮短工期、降低技術風險等優勢，但在現場需要進行節點的處理等。

東南大學張亞梅教授團隊聚焦建筑產業轉型升級，推動建筑行業自動化、數字化和綠色低碳發展，與合作伙伴南京嘉翼共同開展了混凝土3D打印技術系統研究和大量工程實踐應用，形成了從材料研發到設備研發、打印設計和生產、3D打印項目設計和應用全產業鏈技術體系，主要包括：(1)提出3D打印混凝土“流變性能-變形性能-力學性能”協同調控機制和方法，為3D打印低碳混凝土的設計、優化及工程應用提供系統性的理論與技術支撐；(2)研發了系列可適用不同場景使用的3D打印材料產品，如3D打印砂漿、含粗骨料3D打印混凝土、3D打印含固廢低碳混凝土、3D打印泡沫混凝土、3D打印輕骨料混凝土、3D打印堿激發混凝土、3D打印超高延性混凝土ECC等；(3)在打印設備方面，匹配材料性能和應用場景，研發了砂漿打印機、粗骨料混凝土打印機、機器人機械臂打印機、可移動式打印機、大型現場3D打印機等多種3D打印設備，可滿足工業級不同應用需求；(4)全國范圍內完成了數十項3D打印示范工程建設項目，包括預制裝配式和原位3D打印等，2022年上半年完成的大型原位3D打印混凝土示范工程，實現了含粗骨料3D打印混凝土的現場連續泵送和高精度打印。

圖1 3D打印預制裝配式田頭棚建造流程

2021年，由團隊聯合合作伙伴南京嘉翼共同自主設計、研發、生產和施工的3D打印田頭棚在浙江東陽美麗鄉村建設項目中成功應用。該項目位于浙江東陽市湖溪鎮下田心村內，于2021年1月4日完工。該項目采用混凝土3D打印加鋼結構組合的方式建成，長約9.1 m，寬約4.1 m，單層建筑面積28.8 m2。整體建筑分為兩層，一層高1.65 m，二層高5.45 m，設置了獨立的起居室、衛生間、陽臺等，為種植主提供田間倉儲、住宿等多功能管理用房。同時，內部集成智慧化農業信息監控系統，打造田園科技管理新模式。

圖2 浙江東陽美麗鄉村建設田頭棚

(東南大學 張亞梅 供稿)