Inst. AAA技术分享 | 3D打印轻质围护结构在旧工业建筑改造中的应用
2023年5月，建筑计算与应用研究所2023级9名研究生举行硕士学位论文答辩，9名同学全部顺利通过答辩，并最终获得硕士学位。
邵嘉彦的硕士论文题目是：
3D打印轻质围护结构在旧工业建筑改造中的应用
在经济发展和产业升级走向绿色低碳转型的背景下，如何处理旧工业建筑遗产一直是一个重要而紧迫的议题。目前建筑领域的设计方法和建造技术的变化正深刻影响着新范式的产生。本研究旨在探索数字化设计与建造方式（3D打印）如何参与到旧工业建筑的改造与再利用中。本研究源于无锡雪浪镇葛带粮仓改造项目。主厂房建筑主体结构为砖混结构，屋面为桁架结构。拟改造为东南大学外国科学家社区，适应教学、研发和展览功能。
图1 研究背景
3D打印在旧工业建筑改造中的适用性分析
旧工业建筑一般具有坚固耐用的主体结构、规整的平面、开阔无柱的内部空间以及无可替代的独特历史感和场所感，因此依托原有结构体系，单纯进行围护结构改造是一种相对经济、环保的适应性改造方式。既有围护结构的再利用面临着改造可能带来的围护结构残损状况复杂、剩余空间混乱、热工性能不足、对物理环境缺乏响应以及改造可能带来的原有风貌被破坏、历史价值丧失等挑战。
图2 旧工业建筑围护结构复杂程度
以3D打印技术为代表的数字化建造技术介入具有一定的优势，具体表现在：（1）几何自由度。理论上，3D打印可以实现多种形式的建造，可以应对工业建筑改造中各种复杂情况，可以用结构或模具参与建造。（2）设计自由度。3D打印建造技术与计算设计方法突破了模板等传统建造方式的限制，为设计师提供了巨大的设计空间。（3）性能优化与节能环保。高性能打印材料的选用、几何形状和内部结构的优化，可以改善建筑或构件的物理性能，应对外界环境；使用可降解或可回收的生态塑料，可以有效减少碳排放，在建筑的全生命周期中体现环保潜力。（4）结构和材料可读性。3D打印的高识别度，使得改造中新旧部位易于区分；利用轻质材料进行打印介入，在建造和拆除上具有很大的灵活性，可以最大限度地减少对现有建筑风貌的破坏。
图3 3D打印在旧工业建筑改造中的优势
图4 3D打印建筑相关案例实施
3D打印轻质围护结构改造旧工业建筑研究
基于传统的旧工业建筑改造手法，3D打印轻质围护结构介入策略可分为形态修改、内部空间重塑和表皮再生三个方面，分别侧重于局部修缮、改造设计和内外墙施工。本研究以无锡雪浪镇工业建筑综合体改造项目为例，在场地总体规划设计的基础上，利用3D打印轻质围护结构介入场地中部大跨度工业建筑，从形态修改、内部空间重塑和表皮再生三个方面对围护结构进行改造，使其焕然一新。
图53D打印轻量化围护结构介入改造策略
图6 无锡雪浪小镇工业建筑改造策略
策略之一就是形态改造，对于边缘破损或上部缺失的半墙，可直接在其上打印整面墙；对于墙面的边角、洞口，可通过预制、嵌入3D打印模块的方式进行修复；此外，3D打印的轻量化结构可作为预留管道的连接介质等。
第二种策略是表皮再生。旧工业建筑原有的围护系统在热工性能和美观度方面，大多已不能满足新的要求。因此在外墙改造中，综合考虑现有立面现状及性能要求，采用立面叠加和表皮更换两种方式。立面叠加以内嵌形式填补超大洞口，外墙围护新增部分与原有部分易区分，对既有建筑墙体破坏最小。表皮更换是拆除原有墙体后进行扩建，目的是增加室内使用面积。自由曲面可与楼梯结合，实现外墙与功能楼梯一体化设计施工。
图7 立面叠加
图8 皮肤更换
3D打印墙体可以采用一体化打印的方式与新建的门窗连接，打印到一定高度后，在上面放置预先打印好的平板，将与窗框相交的槽口打印在上面。
图9 3D打印轻量化围护墙体与门窗交接处
第三个策略是重塑内部空间。有两种方式：垂直分割和独立分割。垂直分割限制了可使用的空间，并通过围合和打开垂直墙体来创造空间层次。
图10 垂直划分
独立划分更多的被用来在大空间中界定出更小的空间，增强空间的辨识度与趣味性。根据堆叠式3D打印的特点，所构建的单元空间可以有三种主要形态：第一类为柱状单元，四周由倾斜角度较小的近乎垂直的墙体围合，通过与楼板或屋顶连接封闭空间；第二类为锥形单元，每个打印件逐渐向内缩回，最上层以点状封闭空间，具有上小下大的典型特征。
图11 独立划分（柱状单元和圆锥形单元）
第三种是倒装节块单元，即先打印好再翻转，再在两边的接口处组装玻璃或者预印好的侧板来实现施工，形式上自由度较大，容易实现局部延伸和悬挑。
图12 独立分部（截面倒置单元）
3D打印轻质建筑围护结构施工方法
3D打印技术目前可以采用以下几种方式建造建筑物：一是全尺寸现场打印。二是预制装配式，也就是建筑模块化。三是移动机器人成群集体打印。常见的塑料打印机械臂工作范围可达2.8 x 1.5 x 1.3米，典型迹线宽度为3毫米，层高约为1.5毫米。PETG颗粒容易获得，具有良好的机械性能和可回收性，防火等级为B1级以上，是外墙应用合适的打印材料。
一体化打印施工由打印设备在施工现场完成，分为设备进场、主体打印、设备退场三个步骤，梁、顶等可事后安装，柱状单元等中小型建筑均可采用此方式建造。
装配式打印建筑可分为四个步骤：可打印块的划分、工厂预制打印、部件运输至现场、现场组装。打印块的划分与组装设计决定了建造过程的复杂程度和最终建造效果。建筑的划分通常从三个方面考虑：基于可打印性、建造难易程度、建筑部件设计。
图 13 划分可打印块
其中一种组装方式是连接件组装，操作简单，缺点是设计接口相对复杂，连接处的连接件暴露在墙体外部，往往需要在外部增加额外的打印元器件进行遮盖，影响打印墙体的整体视觉效果。
图 14 带连接器的组装
另一类是灌注胶粘材料组装，通过在小孔中放置钢筋，灌注胶粘剂实现组装。此种方式基于堆叠式3D打印技术的特点，组装逻辑清晰，且可将接缝隐藏在墙体内部，有利于保证打印墙体的整体视觉效果。
图15 灌注胶粘剂组装
构建及性能优化算法研究
算法研究第一部分为3D打印墙体性能模拟与优化设计。传统建造方式中，外墙结构由多层不同功能的材料构成，在3D打印外墙中也分为不同功能的多层结构，典型截面从外到内分为空气层、保温层、结构层、内表面层，分别对应调节墙面温度、保温、稳定性和室内装饰等功能。
图16 3D打印墙体内部结构
对于最外层空气层，表面几何形状根据太阳辐射进行优化。利用光热环境模拟和多目标优化工具，探索出一种可打印的几何形状，以最小化夏季墙壁接收的总辐射，并最大化冬季墙壁接收的总辐射。
图17 基于太阳辐射的表面几何优化
对于3D打印墙体，采用Therm模块模拟其结构的热工性能，模拟了200mm厚单材料实体墙体、复合墙体、3D打印外墙的保温性能，轻质3D打印墙体的保温性能明显优于砖墙、混凝土墙体等。
图18 3D打印墙体与普通墙体热性能对比
第二部分为3D打印填充纹理。在3D打印轻质墙体结构中，由外至内的不同结构层通过打印填充件进行连接和支撑，用一定几何形状的纹理进行填充可以提高打印过程的稳定性，增加打印产品的强度。作为面向构造的算法研究的一部分，本研究探索了一种直接输入表达式生成隐式曲面的填充方法。
第三部分是3D打印路径规划算法，在建模与打印路径输出分离的基础上，探索出具有普遍适用性的3D打印路径优化算法。直接按照打印层高对模型进行切片，对切片后各层乱序短线进行排序，生成一笔画的打印路径。经过封装后，可以应对不同模型的打印路径输出。最后根据G-Code格式，针对规划出的连续路径，编写程序将各层打印路径转化为3D打印机器代码。
图19 3D打印路径规划
研究摘要
（1）探索3D打印在旧工业建筑改造中的可行性。旧工业建筑在结构体系、空间塑造、外部形象等方面极具特色，同时作为遗留建筑，其存续空间及相应的改造更新具有很强的复杂性和不可复制性。本文从设计自由度、物性优化、结构与材料的可读性、组装拆卸的便捷性等多个方面详细探讨了3D打印在处理上述问题上的优势，并探讨了该技术在解决此类问题上的可行性和创新性。
（2）研究了3D打印建筑应用于旧建筑改造的具体方法。在改造规模与策略上，轻质围护结构可以很好地介入墙体的局部与整体改造，以及内部空间的重塑与表皮的再生。以无锡雪浪镇厂房改造为例，详细探讨了旧建筑墙体的形态调整、外墙立面的再生叠加、表皮的更换等，并从空间设计的角度探讨了内部空间组织与划分的多种可能性。
（3）梳理了围护结构3D打印建造方法及相关性能优化算法。研究在对堆叠式3D打印设备适用范围、打印建造及建造工艺进行分析探讨后，梳理出一体化、分段式装配式打印建造方法，并在此基础上从阳光、热工程、形态结构等不同角度对构件性能仿真与优化方法，并尝试了3D打印路径规划、G-Code等基础程序代码编写。
研究目标基本实现，但仍存在一些不足，一是新构件与旧墙体之间的细部结构连接尚未充分考虑；二是本文材料性能评价指标仅涉及部分研究，材料性能评价体系尚未建立。总体而言，3D打印建筑可以优化传统施工工艺，但该技术要批量应用于实际改造工程，还有许多结构、材料、成本等实际问题需要考虑，亟待进一步探索。
来源：邵嘉燕，《3D打印轻量化围护结构在旧工业建筑改造中的应用》，东南大学硕士学位论文，指导老师：华浩副教授，企业导师：杨波，2023年6月。
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