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第五屆中國混凝土大講堂深度報道
2023年6月4日，由中國混凝土與水泥制品協會和中國硅酸鹽學會共同發起創立的中國混凝土大講堂于南京國際博覽會議中心成功召開。
本次混凝土大講堂經專家委員會推薦和提名，遴選國際知名3位專家學者，就3D打印混凝土工程應用技術的創新發展，綜合國內和國際的前沿研究與工程應用進展情況開展學術與技術交流。3位專家學者分別是清華大學建筑學院教授、清華大學深圳國際院未來人居研究院常務副院長徐衛國，浙江大學教授、博士生導師、浙江大學智能建造與工程管理研究所所長王海龍，以及圣戈班研發（上海）有限公司水泥基材料研發部研發經理李林。
第五屆中國混凝土大講堂由中國混凝土與水泥制品協會副秘書長陳玉主持，中國混凝土與水泥制品協會榮譽會長、中國硅酸鹽學會原理事長徐永模致歡迎辭。徐永模表示，中國混凝土大講堂是中國混凝土與水泥制品協會和中國硅酸鹽學會共同發起創立，定位于國際化、高水平、公益性的高端學術交流活動。本屆主題是“3D打印混凝土工程應用技術的創新發展”。3D打印混凝土經過了十多年的發展，現在處在一個發展瓶頸，即怎樣從材料創新走向鋼筋增強構造和建筑設計建造，如果不能走過這兩個發展階段，3D打印混凝土將難以在建筑領域占有一席之地。最后，徐永模預祝大家收獲滿滿，受益良多，并希望本次大講堂的報告，對今后在混凝土3D打印科技創新中起到重要的引導作用。
第一位主講嘉賓是清華大學大學建筑學院教授、清華大學深圳國際院未來人居研究院常務副院長徐衛國。2003年以來，徐衛國教授一直從事數字設計及數字建造研究，通過教學、科研、工程、策展、出版等多種渠道推動了數字建筑在中國的發展，目前在該領域出版有17本著作、發表140多篇論文，并獲得多項國際國內獎項。本次講座的題目是機器人3D打印混凝土建造技術的應用，主要內容包括數字建筑設計及建筑智能建造的概念、機器人3D打印混凝土建造方面的技術研發及一系列實踐作品、以及智能建造重要方式的機器人3D打印建造技術的發展前景。
▲徐衛國教授
▲徐永模會長為徐衛國教授頒發主講嘉賓榮譽證書
數字建筑設計，顧名思義就是數字技術與建筑設計的結合。通過計算生成建筑形態，依靠算法和程序推動設計的發展。數字建筑設計不僅改變了建筑師的設計思考方式，重新定義了設計過程，還徹底改變了設計、加工、施工的組織方式。在設計的過程中，建筑師、結構工程師、軟件工程師、材料工程師、加工廠商、施工技術人員通力合作完成設計。
房屋智能建造，即用機器人或智能系統代替人工進行房屋的建造，是一個物質建造的過程。通過設計輸出的虛擬建造信息為依據，展開部件的數控加工與現場的智能施工，同時延續虛擬建造的數字信息流，繼續優化修正已有的數字信息，直至項目建成交付。
機器人3D打印混凝土建造技術，是房屋智能建造的一種方式，它基于數字建筑設計及機器人自控系統，將3D打印技術與特種混凝土材料技術相結合而產生的創新房屋及環境建造應用技術。它具有較高的材料可塑性，在成型過程中無需模板支撐，不僅可構筑各種傳統的標準形體，并且可創造優美的曲面不規則形體。
機器人3D打印混凝土建造，具有明顯的技術特點：從算法生形，到物質堆疊的全過程，需要系統性控制，遵循復雜性科學理論；從建造對象來看，又兼具了體系化、安全性及可實用性；機器人3D打印混凝土房屋是一種新的建筑體系，是將“原位打印”與“預制打印”相結合的，一種現場裝配式體系。
該書屋的設計起于概念草圖，之后用MAYA軟件根據使用需求實體建模，并進行空間形體及結構合理性推敲確定實施模型，其后通過打印路徑規劃及打印程序編寫完成數字文件，再以此數字文件驅動機器人3D打印設備進行混凝土材料的逐層堆疊打印，從而建成這一曲面形體的圖書小屋。該圖書小屋總面積約30平方米，可容納15人進行各種活動。用于該書屋打印的材料為團隊自主研發的纖維混凝土，其間不加鋼筋、建造中不用模板；書屋的打印用了2臺機器臂打印系統，一臺原位打印建筑基礎及主體結構，另一臺現場預制打印弧墻及穹隆頂，每臺打印設備需要2人操作，施工過程中總共需要4-5位施工人員參加。書屋的墻體構造采用空心墻體設計，其間填充保溫砂漿形成保溫隔熱墻體；該書屋的建筑表面有2種肌理，一種為疊層打印所形成的層疊表面，另一種為精心設計的編織圖案肌理，后者位于入口側墻，讓人具有細膩的感覺。
▲上海書屋虛擬動態模型?清華大學建筑學院徐衛國教授團隊
▲上海書屋概念草圖和設計模型?清華大學建筑學院徐衛國教授團隊
▲上海書屋原位打印建造過程?清華大學建筑學院徐衛國教授團隊
▲上海書屋實景鳥瞰?清華大學建筑學院徐衛國教授團隊
此外，徐衛國教授還分享了徐州園博會中建科技館、美國露營地服務用房、貴州民居、武家莊娟子農宅、肯尼亞低造價住宅、機器人3D打印花園（2022深圳香港雙城雙年展）、深圳會展中心3D打印公園以及上海智慧灣步行橋等工程案例。
▲徐州園博會中建科技企業館?清華大學建筑學院徐衛國教授團隊
▲貴州民居?香港大學林君翰、清華大學建筑學院徐衛國教授團隊
▲深圳會展中心3D打印公園?荷清數字建筑科技
▲武家莊娟子民居?清華大學建筑學院徐衛國教授團隊
第二主講嘉賓是浙江大學教授、博士生導師、浙江大學智能建造與工程管理研究所所長王海龍。王海龍教授主要從事3D打印智能建造技術、固廢資源化利用，高性能混凝土材料與結構、長壽命工程結構、裝配式結構研究。先后主持國家863項目，國家自然科學基金，各類重點研發計劃項目，國家重大工程研究專項，省部級及企事業單位各類科技項目50余項。本次大講堂，王海龍教授的報告主題是3D打印混凝土：材料、結構、打印工藝與工程應用，針對打印混凝土材料、打印混凝土結構、工藝和工程應用、以及3D打印混凝土技術遇到的問題與挑戰，展開了具體的交流。
3D打印混凝土按照材料，可分為普通硅酸鹽水泥基3D打印混凝土、硫鋁酸鹽等特種水泥基3D打印混凝土和固廢基堿激發類地質聚合物混凝土；更加具體的細分，包括一般3D打印砂漿、粗骨料打印混凝土、彩色打印混凝土、鋼纖維打印混凝土、ECC改性、UHPC改性、輕質3D打印混凝土。3D打印混凝土材料設計的關鍵技術指標包括工作性（流動性、觸變性、可打印性和可建造性）、凝結時間、強度等級、耐久性和收縮開裂。
收縮開裂控制技術是3D打印混凝土材料與工程應用面臨的最重要的挑戰。王海龍教授團隊通過材料配合比體積的優化，調整水膠比、膠凝材料類型、骨料級配，并配置合適保水劑、可分散乳膠粉、膨脹劑、纖維以及保濕養護措施，基本解決了材料的收縮開裂問題。
王海龍教授團隊對3D打印混凝土材料未來的發展展開了系列的探討，在特殊使用環境下，比如水下混凝土建/構筑物，太空打印建造等方面具有明顯優勢及發展前景。
王海龍教授將打印混凝土結構配筋技術分為了打印前、打印時、打印后配筋技術。王教授團隊最新研發了組合式配筋模式，把受力鋼筋和箍筋架立筋組成鋼筋骨架，更好的實現了邊打印、邊配筋的工藝，減少了層間缺陷的影響。同時，王教授團隊還對不同打印配筋形式下，筋材與打印混凝土的粘結性能與本構關系進行了深入研究，為3D打印混凝土建筑結構設計與施工提供了理論依據。
混凝土材料的抗壓強度明顯大于抗拉強度，而拱形結構更能充分利用混凝土材料的力學特點，通過在拱形混凝土內部加入部分鋼筋，可將破壞模式由脆性破壞轉化為塑性破壞，實現了3D打印混凝土拱形結構的進一步優化。此外，王海龍教授團隊還針對3D打印混凝土裝配式結構以及原位打印混凝土結構性能的評價方法與設計理論、面向3D打印的結構拓撲優化設計方法等進行了深入的研究。
火星一號基地文旅酒店項目由浙江大學、杭州冠力智能科技有限公司、山東基石增材環?？萍加邢薰?、易蘭（北京）規劃設計股份有限公司共同設計與建造的，有5個單體建筑組成，單體房屋高9米，最大直徑5.8米，上下2層，建筑面積約45平米。建筑設計參考火星基地，立面為三維曲線（蛋型）造型，充分體現了3D打印技術的優點。
項目結構通過配置環向鋼筋、徑向拉結鋼筋、豎向鋼筋，形成整體鋼筋籠，配合3D打印混凝土，形成3D打印配筋混凝土結構，并針對各種荷載組合進行了有限元受力分析，確立了結構的設計方案。施工采用裝配式施工工藝，工廠將建筑分節段打印并預留構造柱出筋，在現場進行吊裝和節點鋼筋搭接和構造柱的現澆，最終形成整體性良好的完整結構。
▲火星一號基地文旅酒店項目3D打印配筋混凝土結構
▲火星一號基地文旅酒店項目施工
▲沙特Durra別墅
▲整體打印建筑
▲3D打印部品、部件
▲景觀小品
王海龍教授還分享了裝配式3D打印技術應用案例沙特Durra別墅，整體打印成型公安崗亭等項目，3D打印公園部品、景觀小品，以及正在打印建造中的民居院落等工程案例。
王教授認為建筑3D打印技術在未來的發展存在諸多機遇和挑戰，加快建筑3D打印技術相關標準制定的推進工作，開發具有多功能化建筑3D打印建造系統，完善建筑3D打印材料體系、大力開發綠色低碳打印材料、粗骨料低碳打印混凝土材料，助力綠色建造，推進建筑3D打印技術和傳統建造的兼容互補，實現復雜環境與極端環境下大型結構的打印建造，以及建立完善可靠的打印結構設計方法和建造方法，這些都是未來3D打印混凝土行業領域的發展方向。
最后一位主講嘉賓是圣戈班研發（上海）有限公司水泥基材料研發部研發經理、科學家、高級工程師李林博士。李林博士主要從事水泥基材料功能性添加劑、新型膠凝材料、固廢資源化利用及智能制造等方面的研究工作，現負責圣戈班集團亞太區水泥基材料前端研發及區域技術支持工作。本次混凝土大講堂，李林博士的報告題目是：圣戈班3D建筑打印經驗分享。
▲李林博士
▲徐永模會長為李林博士頒發主講嘉賓榮譽證書
圣戈班水泥基材料事業部（偉伯）自本世紀伊始便開始進行3D打印混凝土的研發試驗，并基于其獨特的砂漿配方技術開發了一流的3D打印試驗及測試平臺。在與埃因霍溫理工大學和承包商BAM等研究機構及相關企業的合作下，該平臺得到進一步優化，向市場提供高質量的3D打印服務。2019年，圣戈班在荷蘭開設了第一家專門服務于3D打印混凝土業務的工廠并于2021年升級為圣戈班集團3D打印混凝土全球能力中心。眾多歐洲標志性3D打印混凝土項目均來自于該工廠，包括2017年竣工通行的世界第一座3D打印混凝土橋梁荷蘭格默特自行車通行橋；2021年竣工通行的世界最長3D打印混凝土橋梁荷蘭奈梅亨自行車通行橋；2021年竣工并入住的世界第一棟3D打印租賃房等。
為什么要開發3D打印混凝土建筑？李林博士提出了3D打印混凝土建筑的4個明顯的優勢：
多，給設計師提供了更多種設計實現的解決方法；
快，高效率的數字打??；
好，智能控制；
省，省材料、省人工、省工期。
圣戈班集團完成開發了3D打印系列材料及設備，增強了3D打印混凝土層間粘結，解決層間滑移；提高了混凝土的抗裂性能，通過大量測試驗證了3D打印混凝土材料的耐久性。同時，圣戈班還研發了3D打印系列指導流程，用于輔助設計打印構件。
李林博士分享了圣戈班在國際上完成的3D打印建筑經典案例，主要分為：橋梁、單層住房、構筑物以及樓梯四大類。
荷蘭格默特自行車通行橋是世界第一座3D打印橋梁，荷蘭奈梅亨自行車通行橋是當時世界上最長3D打印橋梁。
▲歐洲第一棟3D打印租賃房
歐洲的歐洲第一棟3D打印租賃房，采用雙層打印的腔體結構，空腔內填充保溫材料。
德里伯根·蔡斯特火車站綠植框架項目充分體現了3D打印混凝土的優勢：在免模板的情況下，實現曲面造型，在等同成本造價下，大幅度減少了傳統模板造成的工期（減少80%）和總工期（減少60%-80%）。
▲空腔無筋樓梯
第五屆中國混凝土大講堂對混凝土行業免費開放，協會聚焦國內外熱點研究和應用領域，跨界邀請行業內外的資深專家，在打通混凝土產業上下游方面做出了努力，取得了圓滿成功。在未來，中國混凝土大講堂將繼續致力于打造國內外最高水平的學術和技術交流平臺，將混凝土界的最新成果介紹給廣大從業人員、建筑設計師和工程師們。第六屆中國混凝土大講堂計劃將于2024年上半年舉辦。
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