新技术为3D打印建筑“强筋健骨”科技日报

【蜂耘网　3D打印】中国建材总院

在中国建筑材料科学研究总院有限公司（以下简称“中国建材总院”）混凝土科学与工程研究所混凝土3D打印技术中心门前，竖立着一个名为“对话”的混凝土雕塑作品。它由混凝土3D打印技术制作而成，融合了中国传统酒器——爵和现代高脚酒杯两种形象。设计者这样解释其内涵：“以旧混凝土为体，融3D新技，水泥这种有200多年历史的建筑材料焕发了新生机。”

近年来，中国建材总院在3D打印领域接连取得创新成果。在2024年举行的第49届日内瓦国际发明展上，中国建材总院团队自主研发的“基于3D打印混凝土的自动纵向配筋技术”获得金奖。

突破纵向配筋技术

近年来，随着绿色化、自动化成为建筑行业重要发展趋势，混凝土3D打印技术也成为备受追捧的新型建筑技术。

混凝土3D打印技术的两大优势是自动化和个性化。在自动化施工方面，混凝土3D打印技术不需要使用过多人力资源，只需借助机器和混凝土材料，便可按照预先设计好的方案进行自动化施工，大大减少作业人员，提升施工安全性。在个性化方面，3D打印也被称为“柔性铸造”技术，借助高自由度、高灵活性的机器和材料，其不仅能够实现无模成型，还具有高精度等优势，尤其适合建造部分造型独特的小型建筑物。

虽然混凝土3D打印技术潜力巨大，但在大型建筑的推广应用过程中，“软骨病”是其面临的一大难题。“大型混凝土建筑，想要扛得住、立得牢，通常要在混凝土里植入钢筋，让建筑有‘筋骨’。”中国建材总院混凝土科学与工程研究所所长王振地说，如果按照传统配筋技术，在混凝土中直接插入钢筋，钢筋柱便会阻碍3D打印头的运动，使其无法按照原有设计路线进行打印。要想在混凝土3D打印技术中实现自动配筋很困难，这也是国际上普遍面临的一个难题。

为了破解“软骨病”难题，作为国内较早开展混凝土3D打印技术研究的单位之一，中国建材总院混凝土科学与工程研究所研究团队深入开展技术攻关，在混凝土3D打印层间纵向配筋技术上取得突破。

“国外此前的自动配筋技术，多是平行于打印界面的层间横向配筋技术，就像是把钢筋‘躺着’放了进去，这种配筋方式对于建筑物垂直方向的力学性能几乎没有改变。研究团队开发的层间纵向配筋技术，则是将钢筋‘立着’插入混凝土中，显著增强了混凝土3D打印建筑的抗拉伸和抗剪切能力。”王振地介绍，瞄准层间纵向自动配筋技术，团队研发出一整套自动配筋方法和配套设备。

这套设备包括打印装置和配筋装置。在打印装置正常挤出混凝土材料的同时，配筋装置将钢筋切短，并可以根据不同建筑的具体结构需求，将短钢筋加工成n形。随后，配筋装置将加工好的钢筋插入挤出的混凝土界面中，保证至少穿透两层。这两个装置同时独立运行，有效避免了传统手工配筋对打印头行进的阻碍，大大提高了混凝土3D打印配筋效率。

实验结果显示，使用该技术的混凝土3D打印建筑的力学性能有了显著提高，抗弯强度提高了275%，为混凝土3D打印技术大范围推广应用奠定了良好基础。

标准体系仍待完善

随着自动配筋技术、可打印混凝土材料、强度评价方法等不断完善，混凝土3D打印技术不断拓展新应用场景。例如，深圳国际会展中心附近坐落着全国首个3D打印景观广场，其中的景观建筑物均采用混凝土3D打印方式制造。

王振地认为，当前，混凝土3D打印技术并非一定要用来盖房子。其当下有更加合适的应用场景，如可以用于园林景观、游乐园卡通人物造型等个性化雕塑或建筑物。他也坦言，混凝土3D打印技术仍然是新事物，在设计标准、评价标准、验收标准等方面仍然存在不少空白，在推广中面临一定阻碍。

目前，中国建材总院等单位正逐步推动混凝土3D打印标准评价体系不断完善，行业和协会团体标准的立项数量正逐步增加。例如，针对传统直拉和三点弯曲方法在评价3D打印混凝土界面结合强度时存在的难题，王振地团队提出了改进型“十字交叉法”。这一方法使施加的压应力在界面处变为拉应力，解决了3D打印混凝土界面结合强度评价难题，被纳入为我国建材行业标准，为行业发展作出了贡献。

王振地呼吁更多科研单位、专家学者等参与到混凝土3D打印相关标准的研究制定中，为行业发展奠定技术基础。

（蜂耘3D打印网　责任编辑：科技蜜）