【讲座回顾】面向数字化建造的混凝土3D打印

导读

华南理工大学土木学科海外学者前沿讲座第五十八期，我们邀请到来自香港理工大学，建筑及房地产学系的翁毅伟助理教授为大家做了题为“面向数字化建造的混凝土3D打印”的报告。本期讲座录播链接见文末或点击阅读原文。

建筑业属于自动化、数字化程度较低的行业，一直都作为劳动密集型产业而转型困难，近些年来，由于国家人口老龄化以及社会人口数量结构的变化，建筑业也面临着自身建筑工人数量减少、老龄化以及成本高昂的窘境。随着国家绿色低碳政策的大力推行，传统建筑行业的高碳产能的生产现状急需改变。

针对现阶段建筑行业高成本、非标准产品困难以及高碳产能问题，在本期讲座中翁老师主要从背景，方法，内容和前景几个方面向我们阐述了他在混凝土3D打印数字化建造方面的探索和成果。作为建筑行业主推的智能建造的热门方向之一，翁老师的工作或许可以为未来建筑行业以及从业人员的发展提供一定的思考与启发。

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讲座的开始，翁老师以香港和新加坡的数据为例，讲述了建造中存在的成本，安全性和生产力等问题。这些问题推进了混凝土建造技术的发展：由传统模板浇筑建造→预制构件建造→预制构件现场拼装进行房间建造→如今的混凝土3D打印建造，相对于以前的混凝土建造技术，3D打印具有不需要模板、减少材料浪费以及人工成本、自动化程度和精度更高、可个性化定制复杂几何等优势，目前在海内外各国都有较为成功的大尺度混凝土3D打印项目的工程实践，说明3D打印具有较大可行性。

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随后，翁老师介绍了目前混凝土3D打印技术实施的过程，建筑3D打印分为三个步骤（准备材料-泵送-打印）以及四个阶段的通用技术流程。其中前两个阶段与材料准备有关，第三个阶段主要是采用泵送技术对材料进行传输，最后阶段对打印设备进行控制实现材料输出。因此，建筑3D打印的决定性因素包括，材料，打印系统和喷嘴。对于3D打印混凝土材料，其一般需要具备可泵性，可保持性和可建造性。对于打印系统，目前主要采用龙门架和机械臂，前者打印范围有限，后者具有更高的灵活性。喷嘴系统在混凝土3D打印中至关重要，打印头是影响最终成品质量的决定性原因之一，通过自主设计喷嘴可以满足不同的功能需求来改善材料和结构的性能，如提高打印精度、改变材料流变性能等。

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接着，翁老师介绍了自己在混凝土3D打印领域开展的一些工作和成果。首先在材料方面，翁老师做了大量的混凝土材料配方以及相应的打印试验验证了混凝土材料的流变性能和打印高度的关系，为后续的工程应用提供了材料上的试验理论指导。翁老师提出了一个联系材料流变性和打印高度的模型，该模型为混凝土材料可打印性的验证提供了参考。通过改善材料的流变性能和优化打印参数可以实现大尺度的混凝土打印，翁老师将自己的研究成果应用到了几个实际的工程项目中。此后翁老师又针对材料的力学性能开展了研究，进一步探索了打印过程对界面粘结的影响，评估了流变性能，泵送速度和养护方式对界面劈裂抗拉强度的影响。

在3D打印系统设备上，翁老师也进行过双机械臂协同进行大尺度模块化打印的工作以及在柔性模板上进行复杂曲面的混凝土打印工作，在大尺度的工程建造以及复杂异形曲面的建造十分具有借鉴意义。

通过对3D打印的混凝土板开展渗水试验，翁老师发现其抗渗性能非常差，难以满足标准试验的要求。这主要是由于大尺度打印中，层间间隔时间过长，混凝土层间粘结不好产生大量孔隙，使界面粘结的力学性能大幅降低，渗水性变差。为了解决这个问题，提高混凝土打印过程中的层间性能，翁老师团队对末端终端打印喷嘴进行了多次的设计迭代，设计发明出可以在打印过程中同时添加层间粘合剂的特殊打印喷头，显著改善了3D打印混凝土的层间性能，并进行大尺度打印进行试验验证和设计改进，大幅提升了打印结构的层间性能。

在讲座的最后，翁老师对数字建造的未来进行了展望。将混凝土3D打印与BIM技术的结合，基于构件设计到建造过程中的信息，将建模、切片、路径规划等功能进行了集成，可以有效提高效率。他还希望可以将混凝土3D打印与数字孪生、参数化设计、拓扑优化以及全寿命管理等技术或手段进行进一步的结合，通过高度的工艺集成，来提升建筑行业的自动化、安全性以及住户满意度。

总结

目前翁老师的3D打印混凝土甚至是整个行业的研究都主要集中在前期的硬件上的材料研究的建造设备或者软件上的打印路径规划问题，但很大一部分的其他问题如自动化设备的开发等等研究对于目前传统的土木专业人员的知识领域显然是不足以应对的。正如在问答环节翁老师所分享的，在处理一些需要学科交叉的问题时，优势是会更容易想到新的“idea”，但困难在于短期内无法取得“progress”，而解决这一问题最好的方式就是保持“open mind”，多与不同领域的人交流。未来的智能建造也必然需要多个学科之间进行合作的结果。作为当下土木专业内的学生，我们也需要不断的学习以应对学科的不断发展的要求。正如之前胡老师所说，交流能力是做好科研的重要技能，或许困扰你很久的问题在别人的研究领域早有一套成熟的方法论。我们要保持开放的心态，学会交流沟通，切忌闭门造车。

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相关论文请到翁老师主页下载：

https://wengyiwei.github.io/

讲座录播链接：https://b23.tv/wza936M

来源于多样化结构实验室VSL

排版 | 李嘉晨

审核 | 胡   楠