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說到打印大家腦海中第一反應(yīng)就是那個辦公室“滋滋滋”的打印機(jī)吧，白紙黑字一起被齊刷刷地吐出來，大家聽說了嗎？近期建筑行業(yè)興起的建筑3D打印，你住的房子也可以被這樣打印出來哦！ 近日，兩座利用3D打印技術(shù)建造的蘇式庭院別墅亮相山東省濱州市一小村莊，建房的材料是水泥混凝土，與普通人造房屋不同，3D打印出來的墻體是凹凸不平的波浪形，造房的整個過程都是由電腦程序控制完成。按照設(shè)計(jì)圖，用3D打印機(jī)噴嘴噴出高密度、高性能混凝土，逐層打印出墻壁和隔間、裝飾等，再用機(jī)械手臂完成整座房子的基本架構(gòu)。據(jù)了解，3D打印建筑建成快、造價低、更環(huán)保、創(chuàng)意空間大，所有墻壁內(nèi)外沒有一塊磚，整體造價每平方米約為5000元，兩個月即可入住。 打印房子的過程好像擠奶油，將建筑用“油墨”從打印噴頭中擠壓出來，連續(xù)打印一層層疊加，每層的厚度可以為0.6 cm~3 cm，多層疊加之后就能形成一塊數(shù)米高的建筑構(gòu)件，多個建筑構(gòu)件在一起就能拼成一個完整的房子。 3D打印技術(shù)涉及的主要技術(shù) 建筑3D打印，顧名思義，就是按照設(shè)計(jì)好的建筑信息模型，通過專用的建筑3D打印裝備將建筑材料按照3D打印的方式打印成建筑。3D打印建筑可以提高建筑的品質(zhì)，而且相比傳統(tǒng)的建筑建造方式，其更加堅(jiān)固耐用、更加生態(tài)環(huán)保，具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。 雖然3D打印技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有較長的歷史了，但是一直缺少突破點(diǎn)，尤其是在建筑工程領(lǐng)域。目前，在建筑工程領(lǐng)域，3D打印主要用在建筑模型風(fēng)洞試驗(yàn)和效果展示，建筑工程和施工模擬方面，而將3D打印用于實(shí)體建筑的建造是近幾年才興起的研究熱點(diǎn)。 長期以來，建筑工程建造方式受限于傳統(tǒng)的建造工具及技術(shù)手段，一方面，建筑師對三維建筑形式天馬行空的想象力和創(chuàng)造力難以付諸實(shí)踐，另一方面，粗獷的建造技術(shù)給環(huán)境帶來了嚴(yán)重的破壞，造成了巨大的資源消耗和浪費(fèi)。 隨著當(dāng)今全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會的進(jìn)步，城市化進(jìn)程的加快，人們生活水平的提高，造型獨(dú)特、輕質(zhì)高強(qiáng)、綠色環(huán)保的新型建筑形式已經(jīng)成為未來建筑及結(jié)構(gòu)構(gòu)造的功能需求和發(fā)展趨勢; 同時，傳統(tǒng)的高消耗、用資源換效益的生產(chǎn)方式已經(jīng)越來越難以為繼，建筑行業(yè)需要尋找新的建造方式。 建筑3D打印數(shù)字建造技術(shù)將是一種有效的解決途徑，其數(shù)字化、自動化的建造方式將給建筑業(yè)帶來翻天覆地的變革。 建筑3D打印方面的創(chuàng)新研究 要實(shí)現(xiàn)建筑的3D打印，必須在3個方面實(shí)現(xiàn)突破。首先，要研發(fā)新型的建筑材料，雖然混凝土可以用于3D打印，但是在沒有鋼筋共同作用的情況下，其凝固后的力學(xué)性能并不能滿足建筑的安全要求；其次，在建筑3D打印裝備方面尚需研發(fā)，與其他3D打印不同的是，建筑3D打印需要一個巨型的3D打印裝置，通過與計(jì)算機(jī)相連接，將設(shè)計(jì)藍(lán)圖變成實(shí)物。目前，3D打印建筑技術(shù)只能通過打印構(gòu)件來進(jìn)行拼裝，還不能完成較大體量建筑的整體打印。最后，針對建筑本身體量巨大的特點(diǎn)，如何通過信息化技術(shù)合理規(guī)劃打印路徑從而提高打印效率也就成了亟待解決的問題。 在建筑用3D打印裝置研發(fā)及探索性應(yīng)用方面，意大利Enrico Dini發(fā)明了世界首臺大型建筑3D打印機(jī)，通過黏合物和沙子一層層結(jié)合，最終形成石質(zhì)建筑物。美國南加州大學(xué)Behrokh Khoshnevis教授研發(fā)出了“輪廓工藝”3D打印技術(shù)，使用該技術(shù)24 h內(nèi)就可以打印出大約232 ㎡的兩層樓房。英國設(shè)計(jì)師Softkill Design著手使用3D打印技術(shù)建造大批量以骨骼架構(gòu)為原型，以纖維尼龍為結(jié)構(gòu)的民用住房。荷蘭DUS建筑師事務(wù)所設(shè)計(jì)在荷蘭阿姆斯特丹開始建造一座名為“運(yùn)河屋”3D打印房屋，采用了被稱為“KamerMaker”的特大型3D打印機(jī)。在我國，上海盈創(chuàng)裝飾設(shè)計(jì)工程有限公司使用自主研發(fā)了一部長×寬×高分別為150 m×10 m×6.6 m的打印機(jī)，通過該打印機(jī)和特殊的“油墨”在24 h內(nèi)打印出10棟200 ㎡的建筑。由LCD(創(chuàng)意設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室)設(shè)計(jì)、建造并在北京國際僑福芳草地LG2中庭廣場展出的VULCAN (火山)創(chuàng)造了世界最大的3D打印建筑結(jié)構(gòu)的紀(jì)錄。 未來，3D打印建筑技術(shù)將沿著兩條不同的路線發(fā)展：一種模式如同現(xiàn)在的預(yù)制構(gòu)件廠，可以將已經(jīng)設(shè)計(jì)好的房屋分解成若干個模塊，通過大型3D打印機(jī)快速生產(chǎn)出不同類型的模塊，運(yùn)送到施工現(xiàn)場進(jìn)行快速裝配，建筑物將實(shí)現(xiàn)模塊化建造，但是除少數(shù)造型復(fù)雜的模塊外，這種生產(chǎn)方式比目前的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)要復(fù)雜得多；另外一種模式是將3D打印所需要的材料生產(chǎn)之后運(yùn)送到施工現(xiàn)場，經(jīng)過巨型3D打印機(jī)將材料從打印頭內(nèi)噴射出來，將建筑物一層一層打印出來，建筑物就好像巨型植物一樣“生長”出來。對于第一種模式，不但需要考慮模塊打印的質(zhì)量，尚需考慮打印好的模塊如何運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場，以及如何進(jìn)行現(xiàn)場的裝配，而這些都將影響建筑物的質(zhì)量。 第二種模式將會是以后建筑用3D打印技術(shù)發(fā)展的主流方向，通過現(xiàn)場的直接打印“生成”所需要的建筑物，可以避免第一種模式的各種缺點(diǎn)，建筑質(zhì)量將得到保證，但是采用這種模式也帶來了新的問題，那就是現(xiàn)有的建筑用3D打印技術(shù)無法適應(yīng)體量巨大的實(shí)體建筑的整體打印，包括因?yàn)閷?shí)體建筑巨大的體量所帶來的打印效率和打印精度的矛盾，打印物體體量與打印精度的矛盾以及現(xiàn)有建筑用3D打印裝置無法適應(yīng)建筑高度的問題。為解決這些問題，必須研發(fā)一種新型的建筑用自爬升分布式3D打印裝置，并且針對該裝置多打印頭的特點(diǎn)，引入人工智能算法，進(jìn)行多打印頭協(xié)同路徑規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)的研究工作。 對于建筑3D打印的發(fā)展，我們還需要做什么呢？ 1)研發(fā)安全性高及可打印性好的新型的3D打印材料，針對現(xiàn)有的建筑材料在自身性能及3D可打印性上的先天不足，研發(fā)具有高流態(tài)，固化時間短，層間間接性能好，固化后結(jié)構(gòu)物整體安全性高的新型建筑材料。包括對現(xiàn)有建筑材料進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，對現(xiàn)有3D打印材料是否可用于建筑3D打印的研究等。 2)研發(fā)建筑用多打印頭分布式自爬升3D打印裝置，針對建筑結(jié)構(gòu)體量巨大，現(xiàn)有建筑用3D打印裝置效率與精度不能兼顧的問題，研究開發(fā)節(jié)能環(huán)保、安全性高、施工速度快，能夠適應(yīng)不同類型建筑的多打印頭分布式3D打印裝置。針對現(xiàn)有建筑用3D打印裝置對建筑高度的適應(yīng)性問題，研究開發(fā)可連續(xù)爬升、高穩(wěn)定性的3D打印裝置自爬升機(jī)構(gòu)。 3)研究基于人工智能的多打印頭協(xié)同路徑規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)，針對分布式3D打印裝置多打印頭的特點(diǎn)以及3D打印中被打印物體體量與打印精度的矛盾，研究基于人工智能的多打印頭協(xié)同路徑規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)。包括建立多打印頭系統(tǒng)路徑規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行人工智能算法開發(fā)，對多種人工智能算法在多打印頭協(xié)同路徑規(guī)劃中的性能進(jìn)行分析比較選擇，對算法參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與設(shè)定，開展二維、三維空間下多打印頭協(xié)同路徑規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)模擬試驗(yàn)。  |
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