以如何应用3D打印建造房子为例,为比较常见的农村自建房结构,一般毛坯房子做细部可划分为:地面、天棚、楼梯、门、窗、阳台、挑台、遮阳板、天沟、屋架、封檐板、望板、门窗套、玻璃幕、台阶、栏板、栏杆等。而一些附属部件,如门、窗、栏板、栏杆之类,在应用3D打印建造房屋时,只暂留出安装位置,待3D打印完成后再安装上去。
但实际墙体打印时,不能简单打印,那样打印的墙体成单一实体墙体,既浪费材料,也结构太过于单一,导致承载能力不强,且墙体为一实心体,这样也不利于墙体内电线、水路的布局,所以基于3D打印的优势,一定还要墙体设计合理的结构,便于后续其他构件的安装,甚至在设计阶段就能做出十分完善考量,给后续各个零件的安装预留位置,这样就方便了后续工序。墙体打印可参考的类似结构这样的实现方式从理论上来说是可行的,可在实际应用中考虑的是商业化,并非为完成科研中的某一个建筑模型而已,所以要考虑3D打印如何确实可行在市场中应用?从中可以分析出,要完成建筑的主体墙打印是需要架设一个比建筑物本身还要大很多的3D打印机,这对于一个建筑公司来说,并不是一个可取的建造方式。以国内甚至全世界比较有名的3D打印建筑公司--赢创为例,他们采用的方式则为首先在公司内用3D打印机完成可拆卸的主体墙打印,然后再搬运至需要建造房子的工地,在工地上直接拼装组合,再将各组合件用快速固化水泥结合在一起,如此反复则可以完成一套套房子的打印,所以他们的做法是采取组合式房屋板墙的结构,包括有:长平直件、短平直件,连接节点等,一般长平直件、短平直件含有同样的截面结构,仅是截面的长度尺寸不同。以赢创公司的长平直件的截面结构说明,它实际上包括外保温层和墙体层,所述墙体层由相隔一定间距的外、内水泥板及连接两者之间的“之”字形加强肋组成,在“之”字形加强肋与外、内水泥板之间的空间可用聚苯乙烯与水泥浆料的混凝体充填,也可作为预留孔与相邻墙体连接时放置钢筋笼用。所述外保温层由外墙水泥板、墙体层的外水泥板及两者之间的“之”字形加强肋组成,“之”字形加强肋与外墙水泥板、墙体层的外水泥板之间的空间用于充填保温材料用。而其中的连接节点则含有转角件,T形件,十字形件,当中的转角件由柱状筒体、及两块由柱状筒体向外延伸的短平直件组成,
两短平直件互交成90度,该种结构主要用于建筑物墙的转角用;或柱状筒体向外延伸的两短平直件互交成180度,该种形式主要用于建筑外墙长平直件之间的连接用。所述T形件由柱状筒体、及三块由柱状筒体向外延伸的短平直件组成,中间短平直件与另二块平直件的交角成90度,该种形式主要用于建筑外墙与室内隔墙之间的连接用。所述十字形件由柱状筒体、及四块由柱状筒体向外延伸的短平直件组成,四块短平直件之间的交角为90度,该种形式主要用于建筑内有交叉隔墙的连接用。所述长平直件与连接接点的短平直件拼接连接构成组合式房屋板墙。本结构中,对建筑构件预留的柱状筒体所留出的空间主要用放置建筑物立柱的钢筋笼。
所述长平直件、短平直件的墙体层的“之”字形加强肋的上表面低于两侧的外、内水泥板上表面,形成内凹的空间,连接节点的柱状筒体在短平直件内凹空间对应处留有对应的内凹空间。在这种结构中,对建筑构件预留的内凹空间主要用放置建筑物立柱、圈梁的钢筋笼,对这些立柱、圈梁的钢筋笼同时浇捣水泥混凝浆料构成一个整体结构,能保证建筑结构的整体强度和刚性。所述连接节点的柱状筒体的截面为矩形截面、或圆形。柱状筒体的截面形状取决于建筑风格。这就是所谓的组合式房屋板墙结构的数字化打印生产方法,这样,既保证了建筑物的整体强度和刚度,又节省了支模所需的时间和费用,把现场工地的施工减少到最低的工作量,不仅大大减少了安装成本、缩短了的安装时间,而且还有效地保护了工地周边的环境,具有特别重要的社会意义。
基于以上房子建造的操作方式,所以要将房子的设计进行整体修改,以满足实际建造的需求,如所示以房子第一层结构为例的拆解图,从图中可以看出各墙面均独立成一块:
由于建筑结构的体积庞大,不可能像工业制造领域一样精确选用mm甚至um级的叠加方式来进行施工,一般房屋结构的单层打印厚度为几个厘米即可满足要求,当较厚的水泥砂浆或混凝土在上层与下层进行叠加粘合时,由于上层实体自身的重量、材料本身的凝结性以及维持形体的固定性或者施工条件的本身影响,可能会出现挤出的打印材料形变或凝结不牢的现象,问题体现在墙体的上层与下层之间出现开裂、疏松或空洞,使得打印出来的建筑结构存在质量缺陷,严重的甚至会导致建筑体的结构产生安全隐患。所以,必须对3D打印的建造层的粘结性能进行可靠度测试,以便对打印的建筑构件的整体质量作出风险评估。当前,常用于建筑结构的力学性能和耐久性的测试方法有如:抗压强度、抗拉强度、抗折强度、静力受压弹性模量和表面硬度以及收缩率、膨胀系数,抗渗能力试验等测试项目不能完全适合于3D打印材料的粘结性能测试,国内外也没有可供参考用于3D打印建筑材料层与层粘结的测试方法,故需要探讨出一种针对3D打印建筑材料层与层粘接性能的测试方法,这样才能填补现有这一技术的空洞,为3D打印在建筑业的发展提供坚实的技术基础。
同时最为全球最新技术的来源国—美国也非常重视3D打印应用的开发,如今美国的很多专业人士(甚至包括美航局)对于3D打印建筑结构的未来发展都持有很大的信心。上面模型所讨论的就是模块化建筑,在建筑技术领域,这种开发方向越来越受到人们关注,甚至建筑业内有人认为,未来的建筑应该是拼插模块式的,这样就便于安装与拆解了,房屋不再是不动产的代名词了。
建筑设计师将这两种模式结合在一起了,开发出了3D打印建筑构件,然后将其镶嵌在一起形成建筑物的模块化设计。根据技术分析,这种建筑不仅制作成本不高并且具有很好便携性,这样就方便随时换地再组装,这种理念在国内不是很受欢迎,因为国人不太习惯流动式的居住环境,而对于国外,他们喜欢到处旅游,移动式房屋结构可能十分符合他们的理念。
通过模型可以分析了解到,计算所有打印的房屋构件的体积可以全部装进一辆卡车内,而且比较能轻松的将其从汽车上搬运下来,并能很快的拼接成一栋约10英尺高度的建筑体。所有的建筑构件均由3D打印完成的,按照打印的体积来算,打印的工期在一天内基本可以完成,而且这个房子的组装和拆卸都很方便,只需很短时间内即可完成。