建筑渣土3D 打印技術的創新應用

［摘 要］隨著數字技術的革命性進步，綠色智能建造已成為全球建筑行業的重要發展趨勢，3D打印技術也迎來快速發展的重要機遇期。北京崇建工程有限公司針對城市基建項目建筑渣土處置難題，堅持技術創新、工藝創新的研發理念，以減少渣土外運和圍墻、路面材料回運為目標，成功研發建筑渣土3D打印技術，在填補國內空白的同時，實現了資源可循環再利用，助推建筑行業加快綠色智能化發展。

［關鍵詞］建筑渣土；3D打印；資源循環利用；綠色智能建造

一、公司簡介

北京崇建工程有限公司（簡稱“北京崇建公司”） 始建于1980 年，2005 年6月進行公司制改革，目前注冊資本金1億元。其中，中國二十二冶集團公司持股66.7%，北京市東城區國資委直屬企業北京建遠投資經營有限公司持股33.3%。

公司主資質為建筑工程施工總承包壹級，同時擁有建筑裝修裝飾工程專業承包壹級、防水防腐保溫工程專業承包貳級、古建筑工程專業承包叁級、市政公用工程施工總承包貳級、輸變電工程專業承包叁級等資質。

作為國家高新技術企業，公司目前累計擁有授權專利92 件，其中發明專利26 件。

公司還先后榮獲社會信用評價“AAA”等級企業、中國工程建設誠信典型企業、中國誠信創建管理創新示范企業、中國創新力百強企業、北京市建筑工程先進企業、首都文明單位、科技創新創業先進等榮譽；獲評中國土木工程詹天佑獎、華夏建設科學技術一等獎、中施企協工程建設科技進步獎二等獎、河北省建筑業科學技術獎一等獎及其它科技類獎項25 項，省部級工法10 篇。

二、實施背景

建筑渣土是指建設單位、施工單位新建、改建、擴建和拆除各類建筑物、構筑物、管網等以及居民在裝飾裝修房屋過程中產生的棄土、棄料及其它廢棄物。

近年來，隨著我國城市化進程的不斷加快，城市基礎設施建設也在不斷提速。基建項目施工過程中產生的大量建筑渣土，除了部分回填外，絕大部分都會運到堆埋場處置。但是在運輸過程中，很多由于施工場地的限制，使得渣土車不能夠近距離進入，且渣土車輛超載、車容不潔、道路污染等問題極為突出。特別是部分區域反復出現渣土偷、亂倒現象，不僅導致渣土運輸緩慢，影響正常施工，甚至對環境造成各種不良影響。

3D打印技術，是一種以數字模型為基礎的快速成型技術。因其具有成型快速、操作簡單和精度良好等優點，近年來在不同領域得到迅速應用。

雖然，目前建筑行業的自動化水平與其他行業相比尚顯落后，但是隨著發達國家對工程建造建設概念的轉變，快速、高效自動化建造已成為全球建筑行業的重要發展趨勢，建筑3D打印技術也迎來快速發展的重要機遇期。

建筑行業采用建筑渣土3D打印技術構建工業用房及民用住宅，不僅智能環保安全快捷，而且成本低廉，可實現就地取材，具有廣闊的發展前景，也必定會成為建筑行業發展的重要方向。

2016年以來，北京崇建公司組建研究團隊，堅持技術創新、工藝創新的研發理念，積極進行科技攻關，以減少渣土外運和圍墻、路面材料回運為目標，在綠色建筑智能化方面進行深入探索與研究，自主研發出建筑渣土3D打印技術，在填補國內空白的同時，打造出彰顯北京崇建公司實力的技術創新品牌。

三、主要思路

在課題研究工作展開時，研究團隊對整個研發過程進行總體策劃：首先開展結構分析和技術方法研究，再到技術方法論證，然后對技術方法進行實施，通過實施效果來驗證方法的可行性。

（一）項目主要研究內容

1. 原材料加工模塊

原材料加工模塊通過渣土（采用施工現場普通土壤和建筑渣土）與無膜劑配比，需要經過大量實驗才能確定無膜劑配方。研究團隊從土壤固化劑著手，經過從一些土壤固化劑廠家調研并針對性的調整添加劑種類及配比，通過無數次模擬實驗解決了打印材料的抗滲性、抗疏化、抗凍性等技術難題。最終在實際打印過程中達到理想成型標準，強度達到20Mpa。主要原材料采用施工現場普通土壤和建筑渣土。

2. 原材料輸送模塊

原材料輸送模塊設計為通過螺旋輸送泵輸送。原材料拌合與輸送系統集成在一起。

3. 成型模塊

成型模塊利用3D打印技術，控制材料輸出口的空間坐標，使流體形成圖紙設計出的形狀。

4. 控制模塊

控制模塊通過上位機程序發送數據給下位機，來控制出料口的坐標及出料速度等。

（二）項目的創造性、先進性

本項目以建筑渣土為主要原材料，加入無模劑，通過3D打印技術直接建造出工地的一些臨建設施，如圍墻、護欄、標識等。在工程結束時，可以將材料還原，重復使用3D打印技術，打印景觀或其他配套設施。

1.調配后的渣土可直接或利用一些技術措施通過3D打印機成型，施工成本達到傳統施工成本的1/3～1/2。

2.施工速度達到傳統施工速度的1倍以上。

3.成品抗滲性、抗疏化、抗凍性達到臨建標準。

四、研究重點

（一）基本原理

針對本項目課題，研究團隊將3D打印技術和建筑渣土的處理有機結合起來，形成一套完整的新技術。

3D打印技術， 又叫增材制造，是一種與傳統的材料加工方法截然相反，基于三維模型數據，通過增加材料逐層制造的方式，直接制造與相應數學模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。（如圖1所示）

建筑3D打印就是利用3D打印層層堆積的基本原理，采用工業機器人逐層重復鋪設材料層構建自由形式的建筑結構的新興技術。

建筑3D打印機的構成和傳統打印機基本一樣，一般都包括控制組件、機械組件、打印頭、耗材和介質等。建筑3D打印機根據電腦上設計的完整的三維模型數據，通過一個運行程序將材料分層打印輸出并逐層疊加，最終將三維數字模型變為建筑實物。

根據以上基本原理，國內外學者對3D打印技術在建筑建造中的應用進行了廣泛的探索和研究，由此衍生出了多種具體的建筑3D打印技術。根據成型方式，目前已有的建筑3D打印技術可分為擠出固化打印和選擇性粘結打印兩種工藝類型。

擠出固化打印，是指用噴嘴擠出膠狀材料，然后層層堆積至所需高度的一種打印工藝。（如圖2所示）

選擇性粘結打印，是指用粘結劑逐層選擇性粘結固化粉末狀材料，以打印建筑實體的過程。（如圖3所示）

兩種工藝有著各自的優缺點。其中，選擇性粘結打印適合打印異形建筑，但需要較多的材料作為輔助；而擠出固化打印比較符合現有的建筑模式，類似于傳統的現澆混凝土結構施工。

（二）關鍵技術

將建筑渣土與3D打印結合存在多方面的技術難點，整體研究過程相對復雜，關鍵技術可以分為四個模塊：

1. 原材料加工模塊

3D打印所采用的原材料多為建筑渣土。它是在對建筑物實施新建、改建、擴建或者是拆除過程中產生的固體廢棄物，其種類繁多，成分復雜。在原材料加工方面，需要進行初步的篩選，將大塊的建筑渣土進行分解并進行適當加工達到完成打印的目標。原材料加工模塊通過渣土（采用施工現場普通土壤和建筑渣土）與無膜劑配比，需要經過大量實驗才能確定無膜劑配方。實驗材料，基于擠出固化的建筑渣土3D打印材料在進行材料配比時，需要盡可能地考慮以下性能指標：

（1）可擠出性

可擠出性是指新拌制的膠狀物通過料斗和泵送系統可以順暢、連續地到達噴嘴并由噴嘴勻速擠出的能力。

（2）可建造性

建筑3D打印中所用的建筑材料的可建造性是指材料可形成自支持，并能支撐打印材料的性能。

（3）可用性

可用性是指最終硬化的材料的力學性能，其抗拉強度和抗壓強度與擠出物中空氣含量及打印路徑有關。

（4）和易性

和易性是指新拌膠狀物易于各工序施工操作（攪拌、擠出等）并能獲得質量均勻、成型密實的性能，其含義包含流動性、粘聚性及保水性，也稱膠狀物的工作性。

研究團隊從土壤固化劑著手，經過從一些土壤固化劑廠家調研并針對性的調整添加劑種類及配比，通過無數次模擬實驗解決了打印材料的抗滲性、抗疏化、抗凍性等技術難題。最終在實際打印過程中材料擠出后達到理想成型標準，強度達到20Mpa。

主要原材料采用施工現場建筑渣土和普通土壤。

本模塊安裝由PLC控制的重量傳感器，初始時傳送帶開始工作，先傳送一個標準單位重量的無模劑，然后傳送原材料，到達設置的重量后，重量傳感器給PLC反饋信號，PLC控制攪拌機干料攪拌，到達預設攪拌時間停止攪拌，PLC控制水泵送水，到達預設重量，送水停止開始濕料攪拌，待攪拌勻后，PLC控制放料口打開同時攪拌機反轉，將材料送至輸送模塊。整個過程實現自動化，在保證配料比例的同時節省了人工。

2. 原材料輸入模塊

建筑渣土多在城市建筑中出現，因而從哪取材變得尤為重要。建筑物新建、改建、擴建都會產生建筑渣土。這即是原材料輸入的重要渠道。在具體的實施打印過程中，原材料如何輸送到攪拌機中再由擠出機擠出這一過程實現自動化同樣是一個需要攻克的技術難題。設計為通過螺旋輸送泵輸送，原材料拌合與輸送系統集成在一起。輸入系統是與成型效果直接相關的一個組成模塊，按照基于擠出固化的建筑渣土3D打印基本原理，擠出固化的建筑渣土3D打印輸入擠出系統主要實現以下功能：

（1）將拌制好的砂漿拌合物通過導管勻速泵送并從噴頭擠出，泵送過程中不出現堵管、漏漿，不形成渦流。

（2）泵送材料的開、關應該能夠受數控程序控制，并可以通過人工方式實現泵送速度的調整。

（3）由于擠出系統是擠出水泥砂漿等膠狀物，應便于清洗。

按照以上要求，基于擠出固化的建筑3D打印擠出系統應該包括三個部分：泵送裝置、導管、噴嘴。其中泵送裝置采用螺桿泵。螺桿泵是一種容積式轉子泵，主要由電機、螺桿、襯套組成，螺桿和襯套之間可以形成密封腔，電機帶動螺桿泵轉動引起密封腔的變化以吸入和擠出砂漿。螺桿泵最大的特點在于它能夠均勻輸送介質，對材料的稠度不敏感。因此，螺桿泵可以滿足擠出系統對于泵送裝置的要求。另外，為使螺桿泵電機轉速可調，可以采用變頻器與螺桿泵電機相集成，以達到可以人工調整轉速的目的。為使螺桿泵的開、關可以由數控程序控制，采用數控系統與螺桿泵驅動電機集成，達到可以自動控制螺桿泵開、關的目的。

3. 成型模塊

為了將以建筑渣土為原材的物料成功打印出來，需要合理利用3D打印技術，控制材料輸出口的空間坐標，使流體形成圖紙設計出的形狀，并結合打印產品以及材料特性，設計一種建筑渣土3D打印施工專用的打印機來完成打印作業。這也是3D打印系統中存在的技術難題。

X、Y、Z軸運動系統是實現打印成型的重要環節， 本技術使用SolidWorks、Rhinoceros 5等軟件進行機械結構設計，進行3D打印機運動臂的建模。X、Y、Z 軸運動是建筑渣土3D打印系統進行三維建筑打印的基本條件。用于基于擠出固化的建筑3D打印 X、Y、Z軸運動系統應該滿足以下基本功能：

（1） X、Y 軸組成平面掃描運動，Z軸機械臂由伺服驅動電機驅動做垂直于 X、Y 平面的運動。

（2）X、Y、Z軸運動系統的結構部件應該簡單輕便、易于安拆，具備良好的工地適應性。

（3） X、Y、Z 軸運動系統的結構部件應具備較高的強度、剛度，以滿足結構自身的負載及其他工作需要，同時應該具備較高的精度以滿足精準建造的要求。

4. 控制模塊

建筑渣土3D打印技術區別于傳統處理建筑渣土的方法，在于采用了控制模塊，準備通過上位機程序發送數據給下位機進而來控制出料口的坐標及出料速度等，對比于傳統工藝，它將更加智能化，現代化。

基于擠出固化 3D 打印基本原理，將自動化數控機床與建筑機械結合，因此提出了基于擠出固化的建筑3D打印裝置由四個部分組成：控制系統、X、Y、Z軸運動系統、擠出系統和數據處理系統。控制系統用于實現各裝置的自動控制和順序運動，提高加工效率。X、Y、Z 軸運動系統用于接收控制系統的指令，做出各種直線、曲線等復雜的運動。控制系統是本裝置的核心，采用可集成控制一臺或多臺機械裝置的數控系統，基于擠出固化的建筑3D打印裝置的控制系統應具備以下基本功能：

（1）微處理器

微處理器是數控系統的大腦，其性能將對數控系統的性能產生直接影響，因此，控制系統應具備性能強大的微處理器。同時， 微處理器還應具備管理人機交互界面的功能。

（2）外部輸入功能

控制系統應具備接收外部數據的功能，具備相應的數據接口，如串口通信、USB 通信等。

（3）G代碼解釋功能

控制系統應能夠識別G代碼，并能夠直接將G代碼解釋為運動控制識別的控制流。

（4）軸聯動功能。：控制系統應能夠控制機床實現X、Y、Z三軸勻速運動、位置運動以及回零運動，并能夠控制機床實現 X、Y、Z 三軸直線插補及任意兩軸的圓弧插補運動。

（5）機械信號的處理

數控系統應能對停止信號、限位信號、原點信號等機械信號進行有效處理，還應該對一些異常信號如報警信號、急停信號等進行有效處理。

（6）人機交互界面

數控系統應具備良好的人機交互界面，以便于用戶通過人機交互界面對數控系統各個功能模塊進行操作。

本設計采用PLC自動控制模塊和單片機最小系統來實現3D打印系統的控制。數據傳輸及處理結構，本設計采用單片機采取數據從上位機傳輸到下位機，在單片機中編程寫好打印機的軌跡程序，輸送到下位機中實現打印機的運動，數據處理主要在于根據設置的分層厚度、分層方向、偏置間距、偏置次數、填充間距等參數，系統將設計模型進行分層處理，并進行路徑規劃，實現3D打印機按照既定程序路線軌跡運動。

五、主要創新點

（一）無模劑的研制。

經過對原材料的分析研究以及無模劑成分試驗，確定了多種無模劑組合，解決了不同渣土凝結性的關鍵技術，獲授權發明專利一項，名稱為《一種無模劑、其用途和包含其的建筑構件及制備方法》，專利號為：201711283350.3。

（二）3D打印設備的研發

創新性的設計，節約傳統設計方案成本的50%以上。獲授權實用新型專利一項，名稱為《一種建筑用3D打印機及裝載車》，專利號為：201721505603.2。

（三）打印噴頭的設計

3D打印機的噴頭是實現打印的最根本元素，本設計將擠出管與打印噴頭進行連接，將打印噴頭固定在打印機上實現打印，獲授權實用新型專利一項，名稱為《一種建筑用多噴頭3D打印機及裝載車》，專利號為：201820137386.4。

（四）重量傳感器的安裝

上料步驟采取的是自動上料，在重量達到設定的數值時即開始進行自動上料。因此，研究團隊在攪拌機下方安裝重量傳感器，通過重量傳感器傳回的數值實現攪拌機自動攪拌，解決了自動攪拌的難題，獲授權實用新型專利一項，名稱為《一種重量傳感器的安裝裝置》，專利號為：201721047351.3。

（五）篩網的安裝

在實現下料并通過擠出機進行擠出的環節上，研究團隊發現建筑渣土原料在進行攪拌后仍然會有大型的塊狀物質，攪拌并不能使其充分破碎，最終導致在擠出過程時出現堵管的情況。基于此，設計出篩網的安裝，在下料口和擠出機中間安裝篩網，達到將大塊物質去除實現正常擠出的目的，獲授權實用新型專利一項，名稱為《一種篩網組件及包含該篩網組件的攪拌機》，專利號為：201721026537.0。

六、取得的成效

（一）經濟效益

1. 技術對比（如表1所示）

2. 經濟對比

公司對長10m、高2.4m、厚0.24m磚墻的工程造價進行計算。此部分磚墻體積為10m×2.4m×0.24m= 5.76m3

磚墻工程造價為4163.48 元。（如表2所示）

對建筑渣土3D打印技術打出的土墻，預估造價為1694.89 元。（如表3所示）

綜上分析，本技術應用每立方米可節約施工成本428.57 元。截至2020年底，產量約5413m3，新增利潤232萬元，新增銷售額2900萬元。技術開發應用的經濟效益非常顯著。

（二）社會效益

本施工技術以建筑渣土為原料，實現建筑渣土的再利用，將建筑渣土變廢為寶，節約社會資源，節省建筑渣土處理費用。同時，減少因為渣土外運和圍墻、路面材料回運等產生的汽車尾氣排放，助力城市霧霾治理，推動我國建筑業的綠色發展，為我國實現“碳達峰” 和“碳中和” 提供支持。

本課題技術具有技術的創新性，在課題研發中申報了6項發明專利和10項實用新型專利，并應用在科技成果中。

七、探討交流

建筑渣土3D打印技術經過反復的探索、實踐，顛覆了傳統的建筑模式，具有良好的創新性和前瞻性。

該項目響應國家號召，將建筑施工與環境保護有機的結合起來，真正實現了建筑行業綠色智能化發展。另外，通過進一步優化升級建筑渣土多功能3D打印系統，用于施工現場臨建設施、裝配式零部件制造，可降低施工成本、實現節能環保。目前，項目研究中還存在一些問題需要解決。

（一）項目研究存在問題

（1）成本問題

在技術應用過程中采用的技術措施仍占部分的施工成本。在以后的技術研發中，需要進一步改進技術方法，在滿足技術要求的前提下盡可能保證減少技術措施用料，設計易于使用、循環利用技術措施，增強施工的便利性，節約成本。

（2）質量問題

需要提高技術的可行性，增強打印成品的質量。

以問題為導向，下一步相關研究將重點做好以下幾個方面：

一是做好總體策劃。在課題研究時，要做好總體策劃，設定目標，按總體實施路線來實施，每個目標按階段完成。

二是及時總結經驗。針對實施過程中容易出現問題的地方，重點進行監督指導。

三是不斷改進完善。根據實施中出現的問題，分析問題原因，查找實現的技術方法，并進一步進行調整、改進、完善。

四是強化技術穩定。要進一步加強建筑渣土3D打印機的技術穩定性。

五是優化成果運用。通過對已成形的技術成果進行整理，進一步完善，并編制成工法。

（二）推廣應用

1. 推廣應用的范圍

建筑渣土3D打印技術適用于建筑工程中的圍墻、護欄、景觀及安全警示牌等臨建設施，尤其是在特型、異型建筑品牌標識的加工生產方面有較大的技術優勢。

2. 推廣條件

適用于有一定范圍的平整場地、有建筑渣土消納需求的施工現場。

3. 推廣前景

此項目對低碳、環保、節約社會建設，有著巨大的促進作用，具有極大的推廣前景。

這套成形的技術成果可推廣到各工地以及一些渣土堆積量大的城市，用于一些輔助配套建筑上，如園林、道路、景觀等，可節省大量的建材加工、運輸、施工費用。