在中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司(下稱(chēng)“中國建材總院”)混凝土科學(xué)與工程研究所混凝土3D打印技術(shù)中心門(mén)前，豎立著(zhù)一個(gè)名為“對話(huà)”的混凝土雕塑作品。它由混凝土3D打印技術(shù)制作而成，融合了中國傳統酒器——爵和現代高腳酒杯兩種形象。設計者這樣解釋其內涵：“以舊混凝土為體，融3D新技，水泥這種有200多年歷史的建筑材料煥發(fā)了新生機。”

　　近年來(lái)，中國建材總院在3D打印領(lǐng)域接連取得創(chuàng )新成果。在2024年舉行的第49屆日內瓦國際發(fā)明展上，中國建材總院團隊自主研發(fā)的“基于3D打印混凝土的自動(dòng)縱向配筋技術(shù)”獲得金獎。

　　突破縱向配筋技術(shù)

　　近年來(lái)，隨著(zhù)綠色化、自動(dòng)化成為建筑行業(yè)重要發(fā)展趨勢，混凝土3D打印技術(shù)也成為備受追捧的新型建筑技術(shù)。

　　混凝土3D打印技術(shù)的兩大優(yōu)勢是自動(dòng)化和個(gè)性化。在自動(dòng)化施工方面，混凝土3D打印技術(shù)不需要使用過(guò)多人力資源，只需借助機器和混凝土材料，便可按照預先設計好的方案進(jìn)行自動(dòng)化施工，大大減少作業(yè)人員，提升施工安全性。在個(gè)性化方面，3D打印也被稱(chēng)為“柔性鑄造”技術(shù)，借助高自由度、高靈活性的機器和材料，其不僅能夠實(shí)現無(wú)模成型，還具有高精度等優(yōu)勢，尤其適合建造部分造型獨特的小型建筑物。

　　雖然混凝土3D打印技術(shù)潛力巨大，但在大型建筑的推廣應用過(guò)程中，“軟骨病”是其面臨的一大難題。“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鋼筋，讓建筑有‘筋骨’。”中國建材總院混凝土科學(xué)與工程研究所所長(cháng)王振地說(shuō)，如果按照傳統配筋技術(shù)，在混凝土中直接插入鋼筋，鋼筋柱便會(huì )阻礙3D打印頭的運動(dòng)，使其無(wú)法按照原有設計路線(xiàn)進(jìn)行打印。要想在混凝土3D打印技術(shù)中實(shí)現自動(dòng)配筋很困難，這也是國際上普遍面臨的一個(gè)難題。

　　為了破解“軟骨病”難題，作為國內較早開(kāi)展混凝土3D打印技術(shù)研究的單位之一，中國建材總院混凝土科學(xué)與工程研究所研究團隊深入開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，在混凝土3D打印層間縱向配筋技術(shù)上取得突破。

　　“國外此前的自動(dòng)配筋技術(shù)，多是平行于打印界面的層間橫向配筋技術(shù)，就像是把鋼筋‘躺著(zhù)’放了進(jìn)去，這種配筋方式對于建筑物垂直方向的力學(xué)性能幾乎沒(méi)有改變。研究團隊開(kāi)發(fā)的層間縱向配筋技術(shù)，則是將鋼筋‘立著(zhù)’插入混凝土中，顯著(zhù)增強了混凝土3D打印建筑的抗拉伸和抗剪切能力。”王振地向記者介紹，瞄準層間縱向自動(dòng)配筋技術(shù)，團隊研發(fā)出一整套自動(dòng)配筋方法和配套設備。

　　這套設備包括打印裝置和配筋裝置。在打印裝置正常擠出混凝土材料的同時(shí)，配筋裝置將鋼筋切短，并可以根據不同建筑的具體結構需求，將短鋼筋加工成n形。隨后，配筋裝置將加工好的鋼筋插入擠出的混凝土界面中，保證至少穿透兩層。這兩個(gè)裝置同時(shí)獨立運行，有效避免了傳統手工配筋對打印頭行進(jìn)的阻礙，大大提高了混凝土3D打印配筋效率。

　　實(shí)驗結果顯示，使用該技術(shù)的混凝土3D打印建筑的力學(xué)性能有了顯著(zhù)提高，抗彎強度提高了275%，為混凝土3D打印技術(shù)大范圍推廣應用奠定了良好基礎。

　　標準體系仍待完善

　　隨著(zhù)自動(dòng)配筋技術(shù)、可打印混凝土材料、強度評價(jià)方法等不斷完善，混凝土3D打印技術(shù)不斷拓展新應用場(chǎng)景。例如，深圳國際會(huì )展中心附近坐落著(zhù)全國首個(gè)3D打印景觀(guān)廣場(chǎng)，其中的景觀(guān)建筑物均采用混凝土3D打印方式制造。

　　王振地認為，當前，混凝土3D打印技術(shù)并非一定要用來(lái)蓋房子。當下有更加合適的應用場(chǎng)景，如可以用于園林景觀(guān)、游樂(lè )園卡通人物造型等個(gè)性化雕塑或建筑物。他也坦言，混凝土3D打印技術(shù)仍然是新事物，在設計標準、評價(jià)標準、驗收標準等方面仍然存在不少空白，在推廣中面臨一定阻礙。

　　目前，中國建材總院等單位正逐步推動(dòng)混凝土3D打印標準評價(jià)體系不斷完善，行業(yè)和協(xié)會(huì )團體標準的立項數量正逐步增加。例如，針對傳統直拉和三點(diǎn)彎曲方法在評價(jià)3D打印混凝土界面結合強度時(shí)存在的難題，王振地團隊提出了改進(jìn)型“十字交叉法”。這一方法使施加的壓應力在界面處變?yōu)槔瓚?，解決了3D打印混凝土界面結合強度評價(jià)難題，被納入為我國建材行業(yè)標準，為行業(yè)發(fā)展作出了貢獻。

　　王振地呼吁更多科研單位、專(zhuān)家學(xué)者等參與相關(guān)標準的研究制定中，為行業(yè)發(fā)展奠定技術(shù)基礎。(李 暢)