3D打印建筑技术研究与应用综述

于泽

摘要：3D打印技术在近半个世纪得到了广泛的关注，在制造业已取得了巨大的成功。建筑工业化是世界建筑行业未来发展的趋势，3D打印建筑技术也将会是建筑工业化发展的一个重要方向。本文从现有较成熟的几类3D打印建筑技术入手，客觀阐述了3D打印建筑技术目前的现状，3D建筑打印材料与工艺的分析以及所存在的问题。

关键词：3D打印材料；建筑；混凝土；3D打印建筑技术

中图分类号：TP334.8；TU18文献标识码：A文章编号：1674-3024（2017）02-0003-02

引言

3D打印技术起源于上世纪80年代，根据美国材料与试验协会（ASTM）3D打印技术委员会（F42委员会）公布的定义，3D打印是一种与减材制造和等材制造等传统的制造技术迥然不同的，以模型的三维数据为基础，通过打印机嘴挤出材料，逐层打印增加材料来生成3D实体的技术，因此又称为增材制造（AM，Additive Manufacturing）。目前，3D打印技术正在被运用到越来越多的行业，比如航空航天、医学医疗、艺术设计等。

3D打印技术同样引发了建筑业追捧的热潮。当代建筑用量最大、范围最广、最经济的建筑材料一混凝土虽然只发展了不到200年的时间，但其已然成为应用最广的建筑材料，为人类文明的发展贡献了不可替代的价值。随着工业化进程的不断加快，混凝土材料在生产方面的较高能耗和污染的弊端也逐渐地显露出来，严重阻碍了其发展。以3D打印为基础的3D打印建筑技术作为一种新兴技术，将成为传统建筑工业化发展史上的一大重要转折点。

1.3D打印建筑技术现状

2012年1月，美国航天局（NASA）与南加州大学合作开发出“轮廓工艺”（Contour Craftings）3D打印技术。2013年1月，荷兰设计师Janjaap Ruijssenaars计划使用3D打印技术建造莫比乌斯环建筑。同年1月，欧洲航天局联合建筑公司Forster等公司研发月球空间站3D打印项目，计划利用月球土壤和其他添加剂完成部分建筑建材的生产。2013年2月，英国设计师Softkill Design建立一项用纤维尼龙为结构材料建设民用住房的研究。2013年3月，荷兰公司DAS声称将建造3D打印运河屋，于2014年1月实现了运河屋组件的3D打印，预计三年时间建设组装完成。2013年1月，中国的盈创公司在利用高标号水泥、玻璃纤维和部分添加剂完成了10栋上海青浦工业园区临时设施的打印，2015年2月盈创又陆续完成了通过3D打印构件拼装成的2层别墅和6层住宅、一体化打印成型的迪拜城市博物馆小屋等建筑。总体而言，从2012年开始3D打印建筑技术在世界范围内出现了百家争鸣的现象，比较主流的3D打印建筑技术有D-shape、轮廓工艺和盈创3D打印体系。

1.1D-shape 3D打印建筑技术

D-shape 3D打印建筑技术由Monilite UK的创始人EnricoDini先生发明。根据Monilite UK网站显示资料，该技术使用的是普通的沙子和无机粘结剂，可打印二层住宅，打印内容除了主体结构之外还包括楼梯、内隔墙、柱、屋顶以及管道预留孔洞。D-shape技术打印出的材料无论是外观还是物理性能都可以跟大理石媲美，且其耐久性甚至要好于石膏和加强混凝土。

D-shape所使用的工艺与现在主流的工业打印技术（激光选区熔化技术原理）类似。一个巨形3D打印机内先铺满一层沙子和固体催化剂混合物，打印机喷嘴按照预先预设好的路径喷射液体粘合剂，粘合剂与催化剂接触后启动固化程序，沙子被包在里面起结构支承作用，该层打印完成后再重新铺设一层沙子与催化剂的混合物继续打印下一层直至打印完成。整体建筑的固化耗时24小时，但5-10mm厚的单层材料在打印期间可以形成足够的强度支撑下层的打印，打印期间无需停顿。

目前，Manilite公司参与了一项由Foster and Palter公司发起的“3D打印月球基地开发计划”，具体为一个四人间大小的月球基地。该房屋的底座由模块化管道组成，上面是充气式圆顶，然后以月球土壤为基础材料，目前已经利用D-shape技术模拟月球土壤成功制造了1.5吨重的实物模型；D-shape打印机也在模拟月球环境下进行了测试。

1.2轮廓工艺

美国南加利福尼亚大学（University of Southern Califomia）的比洛克·霍什内维斯（Behrokh Khoshnevis）教授发明的轮廓工艺（Contour Craftings）是一种由数字控制的建造工艺，通过分层制造技术，可以直接按照计算机模型制造部件。由于无需使用传统混凝土施工中的模板，轮廓工艺可以大大降低成本和建造时间。

轮廓工艺的原理与传统3D打印所谓的按层挤出材料打印技术类似，通过一个可移动的喷嘴根据设计图的指示，在指定地点喷一圈半流体的混凝土材料，就像在桌子上挤出一圈牙膏一样，为达到连续打印的要求，混凝土材料会在下一层打印之前初步形成强度。泥刀作为整个技术的关键部分，负责抹平和精确规整每一层的外表和顶面。泥刀的出现解决了在实际建筑过程中由于打印建筑产生的层级堆积效应而导致的表面粗糙，横向条纹明显的现象。喷嘴和泥刀逐层打印出建筑构件的内外壳，再通过挤压、浇灌或注入来填充内核，作为结构加固的挤压模型系统。

“轮廓工艺”的工作速度非常快，24小时之内能打印出一栋两层楼高、2500平方英尺（约合232平米）的房子。根据Khoshnevis教授的专访，他已经成立了一家公司，商业化运作Contour Craftings技术，目前该技术正在接近各种应用。目前Khoshnevis教授的公司已经完成了石膏板材料的打印，不久将打印保温材料。未来还将实现布线功能。对于该项技术在月球上的应用，Khoshnevis教授目前正在与NASA（美国宇航局）合作，进一步发展3D打印在太空中的应用，目前已经成功地展示了将该技术稍加变化后应用于火星或月亮上的可行性。

1.3盈创3D打印体系

盈创体系发明人马义和先生在全球范围内首先尝试了3D打印技术在建筑领域的实际应用。迄今盈创已面向全球发布了其10套3D打印簡易房屋、3D打印构建拼装的两层别墅和六层住宅，还有一系列的一体化3D打印建筑产品。

盈创3D打印建筑体系主要由“打印膜壳”、填充材料和配筋构成。其中膜壳打印的原材料主要由水泥、沙子、玻璃纤维和添加剂构成。短玻璃纤维掺杂在细骨料混凝土中在一定程度上起到了结构加固的作用。根据实测数据，3D打印出的墨在形成强度后平均宽度30mm，厚度18mm。预制配筋分两种，横向配筋在需要插入的位面打印完成后铺设；竖向配筋在打印完成后放入“膜壳”填充层，浇灌混凝土填实。目前其膜壳强度相当于C20混凝土强度，但由于玻璃纤维的加入，其抗折、劈拉强度和轴心抗压强度均比较优秀。目前盈创的3D打印产品急需标准的建立来融入中国建筑市场体系。

2.3D打印建筑混凝土材料与工艺分析

3D打印建筑技术目前仍面临材料方面的瓶颈。2012年，英国拉夫堡大学的研究正研发出新型的混凝+3D打印技术，在计算机软件的控制下，使其具有高度可控制挤压性的水泥基浆体，完成精确定位混凝土面板和墙体的孔洞打印；荷兰人采用了塑料及树脂类的材料；美国人采用树脂砂浆类、黏土类、混凝土类等技术处理作为3D打印建筑材料；据公开资料披露，上海盈创所使用的3D打印材料为玻璃纤维增强混凝土。

盈创目前的3D打印建筑体系仍然是打印建筑构件加拼装的体系。同济大学曾于2014年12月14日对其打印构件的膜壳出具《3D打印建筑结构材料性能测试总结报告》，报告中说明，其3D打印材料强度相当于C20混凝土，早期强度较高，后期强度增长乏力，在标准养护条件下28d后强度基本不增长；打印材料的静弹性模量为1.5*104MPA，为28d抗压强度相似的砂浆的50%；打印材料吸水率3.7%，远低于一般水泥基材料，可能原因是打印材料中含有增稠剂；打印材料与C20混凝土耐久性基本持平，抗渗标号P6，抗冻标号D150；打印材料抗氯离子渗透值达2000cc以上，远低于耐久性混凝土。根据报告结果分析，盈创3D打印材料强度、抗腐蚀性均需改进，该材料仍不适合作为结构构件出现在建筑体系中，仅可作为内隔墙等非承重建筑构件使用。若能在控制成本的前提下，将打印材料的强度、耐久度、与钢筋的结合能力提升上来，结合其3D打印技术的优势，盈创3D打印体系会在未来的建筑工业化市场中占有一席之地。

3.3D打印建筑技术存在的问题与发展

3D打印建筑虽然比传统的建筑具有施工周期短、建筑造型丰富、环保、节能等优点。但作为一种尚在研发阶段的新型技术，仍存在以下的问题：

（1）原材料的问题

原材料仍然是制约3D打印建筑技术发展的重要瓶颈。盈创虽然已经研发出可达到打印要求的纤维加强改性混凝土材料，但其各项性能均无法达到结构构件的要求。此外3D打印建筑的耐久性以及玻璃纤维裸露对人体的危害尚未得到证实。

（2）设计软件的问题

软件是3D打印的重要部分，是将模型数据化的重要环节。与传统混凝土施工不同的是，3D打印建筑技术需要构建3D建筑模型，现在的设计单位普遍使用的是CAD制图。目前，我国还没有专业的设计团队与3D打印相配套，形成完整的产业链。

（3）打印设备的问题

随着3D打印设备制造发展迅速，3D打印技术在不断的走向大众，走进各个领域。然而3D建筑打印设备目前十分笨重，拆卸复杂，机动性有限，3D打印构件生产只能在工厂完成，暂无现场打印案例。3D打印建筑构件自重大，运输成本占据了产品成本很大比例。若能实现现场打印，可大幅度降低3D打印生产的成本。

（4）标准体系问题

任何一个新技术从诞生到实际应用面向市场都需要标准体系的支撑。由于3D打印技术与传统施工工艺不同，3D打印建筑的验收标准也与传统建筑不同，无论是3D打印建筑构件还是整体3D打印建筑需要融入建筑市场体系，相关技术标准和价格体系的建立势在必行。

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现代物业杂志社

2020-03-24