In den letzten Jahren hat sich die Industrialisierung des Wohnungsbaus mit Unterstützung der nationalen Politik rasch entwickelt. Eine Reihe von Industriehäusern sind aus dem Boden geschossen, und die Industrialisierung des Wohnungsbaus ist auf der Überholspur der Entwicklung. Insbesondere die Entwicklung der Informationstechnologie hat die Entwicklung der Industrialisierung des Wohnungsbaus in Richtung Automatisierung, Integration und Intelligenz vorangetrieben. Das Erscheinungsbild von 3D-gedruckten Betongebäuden verdeutlicht die guten Aussichten für die künftige industrielle Wohnbauentwicklung. Die Umsetzung von Intelligent Manufacturing in der Bauindustrie ist kein Luftschloss. Vor nicht allzu langer Zeit hat ein Bauunternehmen in Shanghai zwei Gebäude mit 3D-Druckern gebaut. Das eine ist eine 1100 Quadratmeter große Villa in Shanghai und das andere ist ein 6-stöckiges Wohngebäude in Suzhou. Letzteres ist auch das höchste 3D-gedruckte Gebäude der Welt.
Die 3D-Drucktechnologie ist eine fortschrittliche Fertigungstechnologie, die nicht durch die Produktstruktur eingeschränkt ist und daher in vielen Branchen ausreichend Anwendung findet. Aus einer anderen Perspektive betrachtet ist der 3D-Druck lediglich eine fortschrittliche Fertigungstechnologie und ein Werkzeug. Der Wert als Produkt ist nicht hoch und muss in industriellen Anwendungen umgesetzt werden. Es ist ein Prozess, bei dem technische Vorteile und Benutzerbedürfnisse nach und nach zusammenpassen. Bei 3D-gedruckten Betongebäuden sind Kosten, Rohstoffe und strukturelle Sicherheit die entscheidenden Punkte für ihre zukünftige Entwicklung.
Analyse der Betonstruktur im 3D-Druck
Derzeit besteht das 3D-Druck-Betongebäude darin, den modularen Aufbau des gesamten Gebäudes durchzuführen, das Gebäudeindustrialisierungsmodul mit einem 3D-Drucker zu drucken und es schließlich zur Montage auf die Baustelle zu transportieren. Daher entspricht sein Produktions- und Konstruktionsprozess im Wesentlichen dem des PC-Komponenten-Industriegehäuses. Der Unterschied besteht darin, dass bei diesen 3D-gedruckten Wänden, Platten und anderen Modulen keine Verstärkung vorhanden ist. Stattdessen werden Zement und Glasfasern kombiniert, um die Zugfestigkeit der gesamten Betonkonstruktion zu verbessern und so den Bau von 6-stöckigen Wohngebäuden mit nicht verstärkten Betonkonstruktionen zu ermöglichen.
Derzeit ist das industrielle PC-Struktursystem für Privatwohnungen in zwei Typen unterteilt: eine vollständig zusammengebaute Struktur und die andere eine teilweise vor Ort gegossene, teilweise zusammengebaute Struktur. Vankes Forschung und Entwicklung sowie die Montage integrierter Wohnstruktursysteme werden beispielsweise tatsächlich aus Japan eingeführt. Seine Balken, Stützen und Wandscheiben werden als tragende Strukturen vor Ort gegossen; Die Bodenplatte ist teilweise vorgefertigt mit vorgefertigter Bodenplatte und vor Ort gegossener Verbundschicht; Lediglich Außenwände, Treppen und Balkone sind komplett vorgefertigte Bauteile. Der integrierte Wohnungsbau der fünften Generation von Yuanda Residential Engineering ähnelt diesem. Nach der aktuellen Situation in China zu urteilen, verwenden die meisten von ihnen daher ein halbfertiges Struktursystem, nur die ehrgeizigen nachhaltigen Gebäude verwenden vollständig montierte Stahlkonstruktionsgebäude, die alle verschraubt sind und an einem Tag für sechs Stockwerke gebaut werden können. Es entstehen auch verschiedene neue vorgefertigte Gebäudestruktursysteme.
Da es sich bei der Industrialisierung von Wohngebäuden um die fortschrittlichste und beste Technologie handelt, müssen 3D-Druck-Betongebäude das halbfertige Struktursystem durchbrechen, die vollständige Montagestruktur übernehmen und im gesamten Prozess sogar 3D-Druck durchführen. Nur so kann sich die Baubranche vollständig vom traditionellen Bauwesen zum produzierenden Gewerbe wandeln. Zusätzlich zum Basisteil wird der 3D-Druck in Zukunft einschließlich des Basisteils eingesetzt, um eine echte intelligente Fertigung zu realisieren und virtuelle Montagetechnologie zu nutzen. Bei der virtuellen Montage werden Computersimulation und Virtual-Reality-Technologie verwendet, um mithilfe des Simulationsmodells eine Simulationsmontage am Computer durchzuführen und so das Optimierungsschema für die Produktprozessplanung, Fertigung und Montage vor Ort zu realisieren.
Bei 3D-gedruckten Gebäudemodulen wird die unverstärkte Struktur übernommen, um einerseits das Drucken zu erleichtern und andererseits die Vorteile 3D-gedruckter Betonmodule in leichter, dünner und stabiler Ausführung zu nutzen. Für den Druck von Gebäudemodulen mit unterschiedlichen Funktionen und Strukturen werden immer mehr Betonarten verwendet. Daher gibt es für die Rohstoffe für 3D-gedruckten Beton umfangreichere Quellen und mehr Sorten. Der Mechanismus der Abbindehärtung und Festigkeitserzeugung wird auch die theoretische Kategorie des traditionellen Betons durchbrechen. Auch die Haltbarkeit und Sicherheit müssen untersucht und nachgewiesen werden.
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie wird es in Zukunft sogar einen riesigen 3D-Drucker geben, der das gesamte Gebäude vor Ort drucken wird. Der Hauptaufbau des 3D-Druckers ähnelt dem des Doppeldrachentorkrans. Der Drucker kann wie ein Turmdrehkran angehoben und abgesenkt werden. Auf der Oberseite sind mehrere Pfetten mit variablen Positionen angeordnet. Jede Pfette ist mit einem Druckkopf ausgestattet, und je nach Flächengröße sind Dutzende bis Dutzende Druckköpfe angeordnet. Die vertikale Struktur des Gebäudes kann Schicht für Schicht direkt gedruckt werden. Die modulare Strukturverstärkung kann zum Schweißen und Zusammenbauen auf der Baustelle mit einem Kran nach oben gehoben werden. Mit dem Druckkopf kann Beton Schicht für Schicht gestapelt werden, wobei das Bewehrungsnetz wie bei den Werkzeugen antiker Rammmauern eingelegt ist. Sobald dieser riesige Drucker erscheint, wird er große Veränderungen für die gesamte kommerzielle Betonindustrie mit sich bringen. Gleichzeitig ist es auch für kleine und mittelständische Betonunternehmen eine große Herausforderung. Diese konkrete Technologie für den 3D-Druck ist komplexer und erfordert eine höhere Qualität.
Analyse der Rohstoffe für 3D-Druckbeton
Nach der Offenlegung öffentlicher Informationen bestehen die 3D-gedruckten Betongebäude in Shanghai aus glasfaserverstärktem Beton, der sich durch eine höhere Zug-, Biege- und Rissfestigkeit als gewöhnlicher Beton sowie eine höhere Zähigkeit und Schlagfestigkeit als gewöhnlicher Beton auszeichnet. Daher wird es häufig in nicht tragenden Bauteilen wie Außenwandpaneelen, Decken und Trennwänden verwendet, beispielsweise im weißen Betongitter an der Außenseite des französischen Pavillons der Shanghai World Expo. Glasfaserbeton wird verwendet.
Gemäß dem aktuellen Entwicklungstrend der 3D-Druck-Betontechnologie wird der Anteil von gewöhnlichem Beton in 3D-Druck-Baurohstoffen in Zukunft stark reduziert. Faserbeton, Schaumbeton, Leichtbeton, Zement-Harz-Beton, Polymerbeton, Wasserglasbeton und andere Betonarten werden in größerem Umfang eingesetzt, und es kann sogar zu neuen Betonmaterialien kommen.
Der 3D-Druck von Beton unterscheidet sich von herkömmlichem Beton. Da es beim 3D-Druck keine Vorlage gibt, muss es nicht nur die Anforderungen des Rapid Prototyping erfüllen, das heißt, es wird schnell gerinnen und vom Druckkopf umfließen; Es ist notwendig, die dichte Verbindung zwischen Betonschichten zu gewährleisten, ohne dass Kaltfugen entstehen, und 3D-gedruckte Betonbauteile oder Gebäude werden integriert; Darüber hinaus muss der Beton frei in Rohr und Düse fließen, ohne Rohr und Düse zu verstopfen. Diese drei Punkte erfordern, dass sich 3D-gedruckter Beton von herkömmlichem Beton unterscheidet und auch seine Rohstoffe und Qualitätsanforderungen unterschiedlich sind.
Aus Sicht der zementären Materialien sind die beim 3D-Druck von Beton verwendeten zementären Materialien sehr breit gefächert und es handelt sich im weitesten Sinne um Beton, nicht um gewöhnlichen Zementbeton. Als zementäre Materialien für 3D-gedruckten Beton können neben Zement auch Baumfinger, Wasserglas, Gips und Geopolymer verwendet werden. Unter diesen eignet sich Geopolymer aufgrund seiner Eigenschaften einer schnellen Aushärtung und frühen Festigkeit besser für 3D-gedruckten Beton.
Gesteinskörnung ist das Material mit dem größten Anteil im Beton. 3D-gedruckter Beton stellt höhere Anforderungen an die Gesteinskörnung als herkömmlicher Beton. Zuschlagstoffe mit hoher Festigkeit, geringer Dichte und einer Partikelmorphologie nahe der Kugelform eignen sich am besten für den 3D-Druck von Beton. Mittlerweile werden 3D-Druck-Betongebäude in Schichten aus Beton gestapelt, und jede Betonschicht ist relativ dünn. Darüber hinaus ist die Struktur der 3D-Druckerdüse komplex, sodass die Partikelgröße der Zuschlagstoffe im Beton kleiner sein muss als die von herkömmlichem Beton und die maximale Partikelgröße der Zuschlagstoffe weniger als 10 mm betragen sollte. Die Anforderungen an Partikelabstufung, Schlammgehalt, Schadstoffgehalt und andere Indikatoren sind strenger. Diese werden durch die Besonderheit des 3D-gedruckten Betons bestimmt.
Zusatzmittel, die den kleinsten Anteil in der Betonzusammensetzung ausmachen, haben die Leistung von Beton deutlich verbessert. 3D-gedruckter Beton erfordert eine höhere Arbeitsleistung, eine hervorragende Fließfähigkeit im Rohr und eine schnelle Verfestigung an der Luft nach dem Austritt aus der Düse. Daher muss gefordert werden, dass die Zusatzmittel mehrere Funktionen haben und ein Verbundfließmittel sein müssen. Darüber hinaus sind die für den 3D-Druck von Beton verwendeten Materialien komplex und vielfältig, weshalb ihre Beimischung eine gute Anpassungsfähigkeit aufweisen und einen besonderen Zweck für den 3D-Druck erfüllen muss.
Mit der Entwicklung der Industrialisierung des Wohnungsbaus und der Informationstechnologie ist eine neue Form der Architektur entstanden, nämlich die 3D-Druckarchitektur. Der 3D-Druck im Bauwesen ist eine sehr komplexe Systemtechnik, die die Ideen der Fließbandproduktion und der intelligenten Fertigung in der Fertigungsindustrie übernimmt, die Einschränkung, dass die industrielle Produktion im Hochbau nicht übernommen werden kann, vollständig aufhebt und unbegrenzte Möglichkeiten für die Entwicklung der Gebäudeindustrialisierung bietet. Die Realisierung des 3D-Drucks von Betongebäuden ist ein unvermeidlicher Trend in der Entwicklung der Wohnungsindustrialisierung, eine notwendige Voraussetzung für die Anpassung an die Entwicklung moderner Gebäudetechnologie und ein wichtiger Weg zur Verbesserung des technischen Niveaus und der technologischen Innovation der gesamten Bauindustrie.
Die Entwicklung der 3D-Druckbetontechnologie ist sowohl eine Chance als auch eine beispiellose Herausforderung für die kommerzielle Betonindustrie. Nur wenn wir an technologischen Innovationen festhalten und dem Entwicklungstrend der Gebäudetechnik folgen, können wir die erste Chance im zukünftigen Wettbewerb auf dem kommerziellen Betonmarkt gewinnen und eine nachhaltige und gesunde Entwicklung erreichen.