美國工程院院士:建筑3D打印未來可期

對話美國工程院院士、南加州大學教授比赫洛克·霍什內維斯

2019-12-12 13:35:10

  ■本報記者 吳躍 袁嵐

  近年來,隨著3D打印技術的不斷完善,越來越多的物品由3D打印完成,建筑3D打印技術也在這種環境下得到了長足發展。提到建筑3D打印技術的發展,有著“建筑3D打印之父”之稱的美國工程院院士、南加州大學教授比赫洛克·霍什內維斯(BehrokhKhoshnevis)就是其中一位推動了整個行業發展的重量級人物。

  據了解,霍什內維斯教授于1994年開始了對輪廓成型工藝的設計和研發,1996年獲批第一個發明專利。這項技術用加載3D打印系統的大型機械裝置直接打印建筑物,不僅在2006年被美國的ModernMarvel頻道評為全美當年最佳25項發明之一,還讓輪廓成型工藝在美國的科技領域受到廣泛關注。本次能對話到霍什內維斯教授,得益于河北工業大學副校長馬國偉教授組織召開的第二屆建筑3D打印國際會議。作為嘉賓出席并作精彩演講的霍什內維斯在會議間隙接受了《中國建材報》記者的采訪,從3D建筑打印專家視角講述了行業的現狀,展望了未來的發展。

  記者:請問您如何看待3D打印技術在建筑中的應用?

  霍什內維斯:建筑3D打印是一項顛覆性技術,顛覆性技術的要點在于其先進性,是之前從未出現過的。例如在電報盛行的時代,電話的出現就具有顛覆性。與電報相比,電話不必將內容轉譯成電碼,極大地方便了溝通,更易于被大眾接受。因此,大家都覺得電話投入使用速度會非常迅速,但是事實并非如此。從電話技術出現到第一部電話投入使用,中間隔了20年。為什么?原因在于當時基礎技術難以支撐電話的使用,畢竟那時候甚至連電都沒有。那個年代打電話的過程也相當周折,首先需要向對方發電報,然后去電報站才能打電話。因此,電話這項技術在當時并沒有激起人們的廣泛關注。建筑3D打印技術也是一個非常吸引人的概念,而且正在以前所未有的速度發展,但全面推廣這項技術需要完備的配套體系,而監測體系就是其中之一。一般情況下,建筑物建造過程中會有專職人員檢測施工過程中的各個環節是否符合要求。而建筑3D打印技術雖然可大大縮短建筑工期,但目前并未出臺相應的監測體系去適應快速建造的節奏。而且建筑物3D打印過程中,要求短時間內準備大量材料,這就對打印的混凝土材料和打印過程提出了特殊的要求。

  針對以上問題,為了讓建筑3D打印這項技術得到官方和大眾的肯定,同時也為了推動這項技術的廣泛應用,目前我們公司花了大量的時間和精力開展了一系列有意義的研究工作。雖然,如今采用建筑3D打印技術僅實現了示范性的小型橋梁和建筑物建造,但我們相信任何顛覆性技術的真正應用都需要一定時間,建筑3D打印技術也將如此。

  記者:您覺得3D打印建筑的應用前景如何?目前在實際應用中還有存在那些問題?

  BehrokhKhoshnevis:建筑3D打印技術的應用需要循序漸進。目前,雖然有人已經作了有意義的嘗試,但它目前并沒有達到可以商用的地步。在實際應用過程中,這項技術還會存在很多問題。例如,打印材料的收縮變形問題,這個問題在實驗室可以通過調整材料配方解決,但是用戶并不想在施工現場解決這個問題,因為這樣不僅浪費時間,還可能會影響建筑物美觀。因此,這項技術還處于試驗階段,需要進一步完善。

  雖然現在這項技術還處于只能建造小型建筑物的階段,但是我相信,不久的將來,隨著打印材料和打印工藝的改進,建筑3D打印技術將實現商用,市場前景廣闊。

  記者:能不能簡單介紹一下輪廓成型工藝?

  BehrokhKhoshnevis:它是一臺可以取代建筑工人的巨型機器,打印噴頭能根據計算機指令打出混凝土,迅速建造房屋。輪廓成型工藝可以讓建筑物與3D模型保持精確的一致,質量主要由機器控制,排除不可控的人為因素,可實現建筑師的各種設計,不再是單調的復制品,每一所房子模型都可以自定義,還可以大大提高建筑效率。除此之外,輪廓工藝還可以削減建造成本,讓數百萬流離失所者有可能住上房子。

  另外,雖然輪廓成型工藝已面世多年,但在推廣的過程中我們仍在不斷改進。我們的員工一直致力于對打印機的不斷完善,避免出現前面提到的種種問題,讓打印機更加適合現場實用。

  記者:眾所周知,建筑3D打印都是一次成型,對于其中不可逆問題您是如何看待的?

  BehrokhKhoshnevis:這是一個很好的問題。小規模打印過程中,材料或是設備若是出了問題,很難修復這部分,只好放棄重頭再來。但是,在大規模打印時,例如,在建造一棟房子,99%已經完成,接下來的施工過程中出了這種狀況,不可能放棄整棟房子,必須找到解決辦法。我們也針對這個問題作了很多努力,探索出以下解決途徑。其中之一就是建立預測體系,通過安裝智能傳感器,預測打印過程中會出現的潛在問題,如預測材料的非均質、離析等問題。這樣一來,在出現問題前即可停止打印,將有問題的材料取出,重新導入新材料。但是,有些問題卻很難預測,例如打印機噴頭的疲勞破壞問題。出現這種問題后,就會有一層異常材料,帶來以下兩個問題:一是如何修復這層異常材料;二是如何重返打印位置,銜接打印過程。這兩個問題都將通過技術手段解決。3D打印機在將來需要更加可靠,打印材料的質量也應更加可控,只有這樣才可以大大降低打印失敗的概率。

  我們都知道,在飛機使用早期墜機事件時有發生,飛機旅行是很危險的事情,大眾比較恐懼乘坐飛機。但是現在,隨著飛行技術的成熟,飛機失事概率大大降低,乘坐飛機旅行已經非常普遍。3D打印也與此類似,在技術發展早期問題重重,如材料問題。采用傳統的澆筑工藝施工時,大量的混凝土一次澆筑模板中,混凝土的配比誤差對整體質量影響不大。但是,采用建筑3D打印技術時,打印工藝更加精細,對材料的要求也更加嚴格,材料通過噴頭成型,配合比稍有誤差就會出現問題。為解決這一問題,我們一直在尋找合適的材料,這期間遇到了很多困難,后來我們意識到需要一個全新的3D打印建筑材料供應體系。

  因此,建立完善的3D打印建筑材料質量控制體系和智能建造體系是未來建筑3D打印技術的發展方向。

  責編:張文齋 審核:王怡潔


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