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美国哥伦比亚大学土木工程与力学系专访 | 3D打印混凝土洞察(下篇)

美国哥伦比亚大学土木工程与力学系专访 | 3D打印混凝土洞察(下篇)

打印 0条评论来源:DOTT犀点建设科技(id:DOTT-01)

你认为3D打印混凝土将来会以结构构件的形式出现吗?做为预制构件还是现场制造使用?理论上3D打印混凝土的力学性能已经达到了要求,还有那些需要克服的问题呢?



是的,将3D打印混凝土作为结构构件肯定是一个目标。对于建筑上的应用来说,我同意现在的3D混凝土打印技术的应用现状也许是出于建筑外形或美学上的考虑,但我确实认为,我们将能够3D打印混凝土结构构件,也许是从预制构件的应用开始,但最终的应用场景将会在施工现场。针对3D打印混凝土结构构件的应用问题,我们必须克服的最大问题之一是加固(reinforcement)。因为结构混凝土是系统性地加固的,它是一个准脆性(quasi-brittle)的材料。而到目前为止,我还没有看到过一个很稳定的解决方案。我们知道大多数的加固方案都需要人工进行干预(加入钢筋),而且也会打断整个印刷的工作流程过程,所以对于结构应用来说,我们肯定要解决加固问题,也许它最终会和我们现在加固混凝土的方式完全不同。



而且,如果我们真的要在项目中使用3D打印混凝土构件,就一定会有新的规范出现。幸运的是,一些发布标准和规范的机构,比如ACI(美国混凝土协会)和ASTM (American Society of Testing Materials美国材料实验协会),都在3D混凝土打印背后付出了很多努力,其中ACI就有一个关于3D打印水泥基材料的技术委员会。还有一些其他的组织和人在考虑涉及到3D打印建筑的规范以及标准,包括交通研究委员会。我们目前的规范普遍都是高度规定性的,它告诉你如何进行建造。但随着3D混凝土打印技术的发展,我认为我们需要转向更多基于性能的独立于它是如何制造或铸造的规范和标准,只要结果的性能是满足要求的,那么它就符合规范要求。这些都是必须要发生的更新。



但是,除了混凝土构件的加固问题和相关规范更新问题,3D打印混凝土构件的测量也是一个很大的领域,我们到底如何做3D混凝土打印的质量控制呢?这需要付出很大的努力。


从施工的角度来看,没有什么人具有类似项目的经验,所以当涉及到项目管理的时候人们会遇到很多问题,比如总包商们如何选择合适的3D打印混凝土分包商,如何对项目质量进行掌控。满足这些要求我们还需要走很多路,培训是必须的,新的劳动力培训要和市场的发展同步进行。


乐观地说,3D打印混凝土有着光明的未来,尤其是在低收入国家和人群的住宅、需要快速建造的特殊需求房屋等。还有像中国这样庞大的建筑市场,未来的建设对这项技术需求还是存在的。



我们在有些3D打印建筑的案例中看到其打印设备的体积都比较大,有人认为打印机的尺寸大小会对限制这个技术的未来发展,你认为3D打印设备的尺寸限制对其有什么样的影响呢?



我认为找到针对现场应用的合适的打印系统是需要一些思考的。目前打印设备有一些不同的种类,你可能已经看到过了像真正的大龙门式打印机(gantry printers),这种打印机实际上必须比结构本身更大,但这不是唯一的一种系统,我们也可以采用机械臂来处理相似结构。事实上有些人已经在思考这类问题,介于我们已经在日常的施工中使用了用于在很高的地方泵送混凝土的塔吊/起重机这类的基础设施,所以基本上,如果我们能够设计一个基于它的系统(类似大型机械臂或起重机),并可以非常精确地控制其运动就可以实现目标了,我们所需要的就是在其末端安装沉积系统。所以这种方法就打开了一个很大的3D打印建筑规模化的可能性。



也许以后我们会看到一个建筑工地上会有多个载有3D混凝土打印系统的机器人,所以我不认为设备必须是一个比建筑或结构的大小还要大的打印机。类似机械臂的3D打印设备可以策略性地移动并在它地周围打印。迪拜的一栋写字楼的建设就通过安装了这种装置来进行。所以打印机本身并不需要是如此巨大的,通过现有技术进行合理设置也能够建立像迪拜那样的一栋办公楼。




对于设备带来的规模化使用限制,我认为你是对的。我们知道,在建筑行业,每当你引入任何形式的新技术,最大的挑战就是规模化,在建筑业这样一个包含了众多专业的庞大的部门,规模化肯定会是一个挑战,但最终也是可以被克服的。




对于复杂形状的建筑物/构件,使用3D打印进行直接建造还是通过3D打印模板进行预制构件的浇筑?您有什么看法?



你问得很好,这些都是关于3D打印发展的关键问题,你做了一个相当不错的准备工作。我还想说的是,简而言之,现在有很多的人和组织都对3D混凝土打印感兴趣。我知道在我的领域 ,有很多人甚至已经开始对3D打印混凝土在太空中的应用开始进行研究。


但最终,3D打印混凝土技术的实现必须是一个更综合的努力过程,就像我们必须更紧密地与机械工程师、电气工程师还有施工项目管理人员合作进行研究一样。我个人就很想向Odeh教授1和Pena-mora教授2这样的工程管理专家请教类似的问题,因为我们最终的目的是要把这项技术整合到一些实际的施工方案中。而现在,令人生畏的是,当我们看向一个混乱的建筑工地时,发现有很对东西需要去考虑。在规模化方面,谁将实际上谁的利益相关者将?谁会是一个买进这个技术的人?在整合这项技术时,我们需要付出的集体的努力还很多。



3D打印混凝土这项技术是正在发生的,也许它现在看上去应用的场景并不是那么多。我想说的第二件事是,我不知道3D混凝土打印最终会发展成什么样,但是这是非常令人兴奋的一个过程。我想你会在未来看到它在生活中的应用,我相信开发商会喜欢,并最终适应这项技术,现在很多大公司都对它感兴趣,他们在投资会获得许多收益,比如更少的劳动力,更低的成本和更快速的建设速度等。我希望它能成为未来建筑业的一种常见应用,就像你说的那样,早期应用于复杂的结构,然后到结构构件再到需要快速建造的保障性住房或救灾住房等。也许在人类的空间探索中也会发挥作用,就像我说的在我的研究领域已经有人在研究3D打印在月球上或火星上的应用,那些本不适合人类居住的地方,在水下或者宇宙空间。我想随着3D打印混凝土技术变得更加私有化,它将发挥很大的作用。



总结:


与Shiho kawashima教授的对话使我们了解到了如今3D打印混凝土的发展现状与未来趋势以及其优势所在,也很清晰地认识到了一些不足。希望未来越多越多地建筑行业领导者能够通过合作开发3D打印混凝土的实际应用,为建筑的工业化和可持续发展做出共同地努力。



(责任编辑:奚雅青)



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