導(dǎo)讀

華南理工大學(xué)土木學(xué)科海外學(xué)者前沿講座第五十八期，我們邀請到來自香港理工大學(xué)，建筑及房地產(chǎn)學(xué)系的翁毅偉助理教授為大家做了題為“面向數(shù)字化建造的混凝土3D打印”的報(bào)告。本期講座錄播鏈接見文末或點(diǎn)擊閱讀原文。

建筑業(yè)屬于自動(dòng)化、數(shù)字化程度較低的行業(yè)，一直都作為勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)而轉(zhuǎn)型困難，近些年來，由于國家人口老齡化以及社會(huì)人口數(shù)量結(jié)構(gòu)的變化，建筑業(yè)也面臨著自身建筑工人數(shù)量減少、老齡化以及成本高昂的窘境。隨著國家綠色低碳政策的大力推行，傳統(tǒng)建筑行業(yè)的高碳產(chǎn)能的生產(chǎn)現(xiàn)狀急需改變。

針對現(xiàn)階段建筑行業(yè)高成本、非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品困難以及高碳產(chǎn)能問題，在本期講座中翁老師主要從背景，方法，內(nèi)容和前景幾個(gè)方面向我們闡述了他在混凝土3D打印數(shù)字化建造方面的探索和成果。作為建筑行業(yè)主推的智能建造的熱門方向之一，翁老師的工作或許可以為未來建筑行業(yè)以及從業(yè)人員的發(fā)展提供一定的思考與啟發(fā)。

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講座的開始，翁老師以香港和新加坡的數(shù)據(jù)為例，講述了建造中存在的成本，安全性和生產(chǎn)力等問題。這些問題推進(jìn)了混凝土建造技術(shù)的發(fā)展：由傳統(tǒng)模板澆筑建造→預(yù)制構(gòu)件建造→預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)場拼裝進(jìn)行房間建造→如今的混凝土3D打印建造，相對于以前的混凝土建造技術(shù)，3D打印具有不需要模板、減少材料浪費(fèi)以及人工成本、自動(dòng)化程度和精度更高、可個(gè)性化定制復(fù)雜幾何等優(yōu)勢，目前在海內(nèi)外各國都有較為成功的大尺度混凝土3D打印項(xiàng)目的工程實(shí)踐，說明3D打印具有較大可行性。

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隨后，翁老師介紹了目前混凝土3D打印技術(shù)實(shí)施的過程，建筑3D打印分為三個(gè)步驟（準(zhǔn)備材料-泵送-打印）以及四個(gè)階段的通用技術(shù)流程。其中前兩個(gè)階段與材料準(zhǔn)備有關(guān)，第三個(gè)階段主要是采用泵送技術(shù)對材料進(jìn)行傳輸，最后階段對打印設(shè)備進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)材料輸出。因此，建筑3D打印的決定性因素包括，材料，打印系統(tǒng)和噴嘴。對于3D打印混凝土材料，其一般需要具備可泵性，可保持性和可建造性。對于打印系統(tǒng)，目前主要采用龍門架和機(jī)械臂，前者打印范圍有限，后者具有更高的靈活性。噴嘴系統(tǒng)在混凝土3D打印中至關(guān)重要，打印頭是影響最終成品質(zhì)量的決定性原因之一，通過自主設(shè)計(jì)噴嘴可以滿足不同的功能需求來改善材料和結(jié)構(gòu)的性能，如提高打印精度、改變材料流變性能等。

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接著，翁老師介紹了自己在混凝土3D打印領(lǐng)域開展的一些工作和成果。首先在材料方面，翁老師做了大量的混凝土材料配方以及相應(yīng)的打印試驗(yàn)驗(yàn)證了混凝土材料的流變性能和打印高度的關(guān)系，為后續(xù)的工程應(yīng)用提供了材料上的試驗(yàn)理論指導(dǎo)。翁老師提出了一個(gè)聯(lián)系材料流變性和打印高度的模型，該模型為混凝土材料可打印性的驗(yàn)證提供了參考。通過改善材料的流變性能和優(yōu)化打印參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)大尺度的混凝土打印，翁老師將自己的研究成果應(yīng)用到了幾個(gè)實(shí)際的工程項(xiàng)目中。此后翁老師又針對材料的力學(xué)性能開展了研究，進(jìn)一步探索了打印過程對界面粘結(jié)的影響，評估了流變性能，泵送速度和養(yǎng)護(hù)方式對界面劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。

在3D打印系統(tǒng)設(shè)備上，翁老師也進(jìn)行過雙機(jī)械臂協(xié)同進(jìn)行大尺度模塊化打印的工作以及在柔性模板上進(jìn)行復(fù)雜曲面的混凝土打印工作，在大尺度的工程建造以及復(fù)雜異形曲面的建造十分具有借鑒意義。

通過對3D打印的混凝土板開展?jié)B水試驗(yàn)，翁老師發(fā)現(xiàn)其抗?jié)B性能非常差，難以滿足標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的要求。這主要是由于大尺度打印中，層間間隔時(shí)間過長，混凝土層間粘結(jié)不好產(chǎn)生大量孔隙，使界面粘結(jié)的力學(xué)性能大幅降低，滲水性變差。為了解決這個(gè)問題，提高混凝土打印過程中的層間性能，翁老師團(tuán)隊(duì)對末端終端打印噴嘴進(jìn)行了多次的設(shè)計(jì)迭代，設(shè)計(jì)發(fā)明出可以在打印過程中同時(shí)添加層間粘合劑的特殊打印噴頭，顯著改善了3D打印混凝土的層間性能，并進(jìn)行大尺度打印進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和設(shè)計(jì)改進(jìn)，大幅提升了打印結(jié)構(gòu)的層間性能。

在講座的最后，翁老師對數(shù)字建造的未來進(jìn)行了展望。將混凝土3D打印與BIM技術(shù)的結(jié)合，基于構(gòu)件設(shè)計(jì)到建造過程中的信息，將建模、切片、路徑規(guī)劃等功能進(jìn)行了集成，可以有效提高效率。他還希望可以將混凝土3D打印與數(shù)字孿生、參數(shù)化設(shè)計(jì)、拓?fù)鋬?yōu)化以及全壽命管理等技術(shù)或手段進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)合，通過高度的工藝集成，來提升建筑行業(yè)的自動(dòng)化、安全性以及住戶滿意度。

總結(jié)

目前翁老師的3D打印混凝土甚至是整個(gè)行業(yè)的研究都主要集中在前期的硬件上的材料研究的建造設(shè)備或者軟件上的打印路徑規(guī)劃問題，但很大一部分的其他問題如自動(dòng)化設(shè)備的開發(fā)等等研究對于目前傳統(tǒng)的土木專業(yè)人員的知識領(lǐng)域顯然是不足以應(yīng)對的。正如在問答環(huán)節(jié)翁老師所分享的，在處理一些需要學(xué)科交叉的問題時(shí)，優(yōu)勢是會(huì)更容易想到新的“idea”，但困難在于短期內(nèi)無法取得“progress”，而解決這一問題最好的方式就是保持“open mind”，多與不同領(lǐng)域的人交流。未來的智能建造也必然需要多個(gè)學(xué)科之間進(jìn)行合作的結(jié)果。作為當(dāng)下土木專業(yè)內(nèi)的學(xué)生，我們也需要不斷的學(xué)習(xí)以應(yīng)對學(xué)科的不斷發(fā)展的要求。正如之前胡老師所說，交流能力是做好科研的重要技能，或許困擾你很久的問題在別人的研究領(lǐng)域早有一套成熟的方法論。我們要保持開放的心態(tài)，學(xué)會(huì)交流溝通，切忌閉門造車。

END

相關(guān)論文請到翁老師主頁下載：

https://wengyiwei.github.io/

講座錄播鏈接：https://b23.tv/wza936M

來源于多樣化結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室VSL

排版 | 李嘉晨

審核 | 胡? ?楠