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笔记:3D打印建筑的技术路线及商业应用

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背景知识1:钢筋混凝土的历史
钢筋混凝土是现代工程建造中最常用的材料之一。与铁、木材、砖石等传统材料相比,现代钢筋混凝土的历史最短,却应用最广泛。钢筋混凝土(英语:Reinforced Concrete,Ferroconcrete,RC),工程上常简称为钢筋砼或钢混,是指通过在混凝土中加入钢筋、钢筋网、钢板或纤维而构成的一种组合材料,两者共同工作从而改善混凝土抗拉强度不足的力学性质。
大约在公元前3世纪,古代罗马人发现了天然火山灰的水硬性,用它拌制的砂浆硬化后有很高的强度。1756年,英国工程师John Smeaton史密顿在修建灯塔时意外发现,把黏土和石灰石以适当的配比混合后煅烧(类似火山灰形成的过程),可以达到很高的强度。史密顿的做法很快传遍欧洲各国,大家纷纷效仿。1824-1840年,Joseph Aspdin和William Aspdin父子,总结出用石灰、黏土、矿渣等配比混合煅烧成“水泥”的方法。由于水泥硬结后的颜色和强度,与英国波特兰岛上天然石材差不多,人们便称它为“波特兰水泥”(即普通硅酸盐水泥)。
由于混凝土的抗拉强度远低于抗压强度,因而素混凝土结构不能用于受有拉应力的梁和板。如果在混凝土梁、板的受拉区内配置钢筋,则混凝土开裂后的拉力即可由钢筋承担,这样就可充分发挥混凝土抗压强度较高和钢筋抗拉强度较高的优势,共同抵抗外力的作用,提高混凝土梁、板的承载能力。
1849年,法国园丁Joseph Monier将铁丝与混凝土结合,制作花盆,解决了混凝土抗拉强度低的问题,并在1867年的巴黎博览会上展示了他的新发明。此后,他又陆续发明了铁筋混凝土管道、水箱、幕墙板,并在1875年设计了第一座铁筋混凝土桥。法国工程师Francois Hennebique受到Monier的启发,将这种材料组合应用到建筑领域,他在1892年发明了全套的铁筋混凝土建筑建造系统,立刻引起了当时土木工程界的震动。
随着钢筋混凝土和预应力技术的发展,大幅提高了抗弯、抗拉性能,从此更多的混凝土以源自木结构的框架形式出现……并成为现代工程建造中最常用的材料之一


背景知识2:3D打印技术

3D打印(英语:3D printing),属于快速成形技术(rapid prototyping)的一种,它是一种数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层堆叠累积的方式来构造物体的技术(即“積層造形法”)。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用(比如髋关节或牙齿,或一些飞机零部件)已经有使用这种技术打印而成的零部件,意味着“3D打印”这项技术的普及。

3D打印的出现,给未来建筑业带来无限的可能性。

美国南加州大学工业与系统工程教授比洛克·霍什内维斯一直在研究一种新工艺。这种新工艺使打印技术在不到20小时的时间内建造一幢面积2500平方英尺的建筑。他把该工艺称为“轮廊工艺”。轮廊工艺“的概念在设计上很简单,但是实施起来相当复杂。该工艺由一个巨型的三维挤出机械构成它的操作很像我们见到的打印机操作原理,不过有一个明显不同的地方:它挤出是混凝土。在“轮廊工艺”系统的挤压头上使用齿轮传动装置来为房屋创建基础和墙壁。然而,设备庞大,转场困难,以及千差万别的施工场地条件,必将限制这种工艺在实际施工场地的应用。
目前3D打印建筑的3种形式:
①组装式打,即建筑模块化,在工厂把模块打印好,再在现场组装,优点是无尺寸和场地的限制,缺点是需要大量人工装配。
②全尺寸打印,即打印伸缩臂半径不能小于建筑物,适合打印小型建筑。
③组合机器人集合打印,即多个机器人,各自分工,共同完成一个任务。无论建筑物大小,均可以打印。

从工程经验角度出发,我认为组装式打印是可以最早获得大规模商业应用的。

补充视频:



背景知识3:钢纤维混凝土

钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。这些乱向分布的钢纤维能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成,显著地改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能,具有较好的延性。

详情点击:笔记《钢纤维混凝土在法国模块化建筑中的应用》

同样是做“窝”,同样的概念,在自然界已经早已常见……



综上所述:
1、受施工场地条件,设备转场及材料运输等条件限制,3D打印设备在现场大规模应用的技术路线难度较大,且不符合“工厂化”的大时代背景。

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作者: ganggouren

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