3D打印建筑材料相關概念辨析

□文/李志國 陳 穎 簡凡捷

國內外迅速崛起3D打印建筑是基于計算機控制的3D打印設備，通過打印疊層材料技術建造起來的建筑物。

目前研究的3D打印建筑的設備主要是由一個龍門架完成X方向行走，懸掛于龍門架上的打印頭在一定區域內完成X、Y、Z方向打印，打印頭上方的懸掛桿完成大尺度Z方向運動的三維結構，來為房屋創建基礎和墻壁，直接制造出建筑物。

美國宇航局和美國軍方支持并資助了美國南加州大學工業與系統工程教授比洛克·霍什內維斯的項目。荷蘭宇宙建筑公司的Janj aap Rui j ssenaars，2013年1月表示他們計劃在2014年內用3D打印技術建造一棟名為“Landscape House”的建筑。2014年3月上海盈創新材料公司已經在中國上海張江高新青浦園區在24 h內完成了10棟3D打印建筑。

1 基本概念

1.1 3D打印

3D打印技術出現在20世紀90年代中期，實際上是利用光固化和紙層疊等方式實現快速成型的技術[1]。它與普通打印機工作原理基本相同，打印機內裝有粉末狀樹脂、金屬或塑料類其他復合型的可粘合材料，與電腦連接后，通過一層又一層的多層打印方式，最終把計算機上的藍圖變成實物。

1.2 3D快速成型

日用產品如鍋碗瓢勺的模具，工業產品如汽車發動機等復雜模型、大型發電機葉片或航空航天等零部件模具等，都可以采用計算機控制的3D打印技術來快速成型。這樣3D打印就可在CAD設計基礎上的直接打印產品，真實的創建從圖紙電子文件到實物快速生成的連接平臺，為產品設計與制造一體化，使得這一技術如今可在機械制造、模具成型、建筑模型及實體建筑制作、汽車等復雜零件加工等許多高科技領域得到廣泛的應用。

1.3 3D打印建筑

3D打印建筑的機械原理是靠龍門架行走機構實現X軸方向的運動；靠橫梁實現Y方向的運動；靠打印頭上部的打印桿實現Z方向的運動。靠打印頭自身的伸縮和轉動，實現打印噴頭的局部運動，從而通過打印出建筑物的“平面層”的不斷堆積，生成不同的建筑結構，見圖1。

圖1 3D打印機構動作原理

美國南加州大學工業與系統工程教授比洛克·霍什內維斯一直在研究一種新工藝。這種新工藝使打印技術在不到20 h的時間內建造一幢面積232.3 m2的建筑。該項目獲得美國宇航局和美國軍方的支持和資助。霍什內維斯相信他的項目可以為全世界大約10億急需改善住房條件的人提供足夠住房。他把該工藝稱為“輪廊工藝”并且很希望在將來某天看到成為現實。

1.4 3D打印材料

目前3D打印建筑所采用的材料還不成熟。我國上海采用的是建筑物廢棄材料，將其粉碎磨細，加水泥、纖維、有機粘合劑等，制成牙膏狀的“油墨”，進行打印。荷蘭的專家采用了樹脂及塑料類的材料；美國人采用了樹脂砂漿類、粘土類、混凝土類材料進行3D打印建筑試驗。

1.5 材料層疊粘和結構

目前的3D打印建筑的技術原理是通過打印“噴頭”分層吐出膏體狀的打印材料，打印材料按墻體尺寸形狀被層疊而形成類似膠合木的從L1～L5的層疊粘和結構。這種層疊結構單層厚度約20～30mm，豎直墻面層與層間的凸凹約15～20mm。從墻面建筑裝飾效果看類似毛坯房，見圖2和圖3。目前單層打印材料物理力學性能和粘接層對墻體整體性的影響，還待深入研究。

圖2 3D打印的層疊結構

圖3 3D打印建筑的單層厚度及墻面凸凹

2 相關問題

2.1 從創新概念到經濟適用

目前3D打印建筑毫無疑義是一個創新概念。它集成了計算機、三維掃描、三維打印、快速成型等新技術新觀念；它代表了快速、高效、自動化、機械化的新建筑模式；極大程度上實現了節約、綠色、低勞動強度、文明施工的現代生產方式，是傳統建筑技術、傳統建筑模式的機遇和挑戰。

目前的3D打印建筑概念清楚，它可以從圖紙，直接打印成建筑。簡單的建筑目前就可以通過直接打印或水平打印-垂直安裝得到完成。

可是目前的所有試驗建筑，沒有對材料的組成、結構、性能、造價，尤其是耐久性、抗震性能等進行細致的研究，故3D打印建筑從一個創新概念，到能大規模經濟適用的推廣，仍有漫長的路要走。

2.2 打印材料的性能

1）強度。打印材料的強度高低，決定了其可以在何種高度的建筑中使用。目前各國試驗的3D打印建筑多為1～2層。這樣建筑的材料抗壓強度可在1.5～3.5 MPa就能使建筑物矗立，即可達到臨時應用或展覽的目的。

在日本、美國，1～2層建筑就能滿足住宅建設需要，而在其他國家和地區，多層、小高層、高層以及超高層建筑量大面廣，需求巨大。但要使打印材料能滿足多層甚至小高層建筑在7度地震烈度地區的安全要求，則適于3D打印建筑的材料最低抗壓強度要達到20.0 MPa，要滿足高層、超高層建筑相同地震烈度地區的安全要求，抗壓強度應達到35.0 MPa以上。

2）保溫節能。我國推廣實行建筑節能政策。采用加氣混凝土、多層復合墻體能滿足三步、四步節能的保溫隔熱要求。目前國內外的3D打印技術材料中，有保溫節能型和非保溫節能型打印材料，前者采用樹脂型材料打印墻體蜂窩結構，達到保溫隔熱的節能目的；后者也有采用其他材料打印空腔墻體，再向空腔填加泡沫材料或再次澆筑發泡材料，達到保溫隔熱的節能目的。

從產業化的方向性看，一次打印成型的3D打印材料可能是多種材料與多種功能的復合。開發多種打印材料、多噴頭同時打印、一噴頭多種材料同時或交替打印，實現多噴頭多材料打印技術，不僅可以滿足保溫復合墻體的節能構造要求，而且可以實現結構、保溫、裝飾等多功能打印。

由于建筑節能是我國的基本國策，故在3D打印建筑總體研究與開發過程中，應嘗試不同的保溫節能方案。

3）抗震。建筑結構抗震問題一直是眾所矚目的建筑科技難題。采用3D打印成型的建筑，其材料和結構的均勻性好，可以按仿生學原理優化建筑空間、優化結構節點，優化結構構件。

但如何使打印材料從均勻的油墨形態，提升為鋼筋混凝土結構或玻璃鋼結構，是3D打印建筑材料和打印技術的核心性研究課題。只有通過鋼筋混凝土結構，才能較好地保證建筑物的抗震性能，所以，在打印時如何增加水平筋，增加鋼筋混凝土梁以及如何布置豎向鋼筋，最終打印成鋼筋混凝土梁、柱、樓板、樓梯等，是3D打印建筑、材料、工藝、設備不可逾越的難題。

纖維增強混凝土的思路，鋼筋混凝土的思路，預制鋼筋混凝土構件、輕鋼結構、木結構與3D打印復合的思路，均有深入研究的意義和價值。如何利用3D打印技術，形成框架結構、剪力墻結構、框架剪力墻結構、筒形結構、筒殼板殼結構、鋼板剪力墻結構等，都是提高3D打印建筑抗震性能應該考慮的選項。

4）經濟性。3D打印材料具有多樣性。作為具有實用性的建筑，其打印材料要在滿足技術性能的同時，還要滿足經濟性的要求。

從目前國內外鋼筋混凝土造價的現狀看，采用樹脂的最佳經濟模式是用其作為膠粘劑，起到調整打印材料粘聚性的目的或是使用其固化的功能，控制打印材料的固化速度。而打印的主要材料依然要以水泥、石灰、石膏、粘土、砂子、碎石為主。同時，應該研究現澆鋼筋混凝土結構、預制鋼筋混凝土結構、輕鋼結構等和3D打印材料和技術的結合，這樣才能降低綜合造價，達到工程可接受的經濟性要求。各種材料價格見表1。

表1 打印材料的經濟性

2.3 與鋼筋混凝土的相容性

1）成型比較鋼筋混凝土成型是基于屬性混凝土的澆筑概念，為保證混凝土的密實成型常采用振搗液化的原理，“筑”成“體”型構件。而3D打印技術是基于油墨狀材料的印刷，靠材料自身的黏性，“疊”成“層”狀粘合構件。這樣混凝土材料的成型一般需要模板，混凝土要在模板中進行澆筑、振搗和成型，代混凝土硬化后再拆除模板，完成施工。而3D打印技術，無須模板，直接打印成型。相比較混凝土容易與鋼筋形成鋼筋混凝土結構，而3D打印技術，如何與鋼筋復合，值得認真探索。推薦的3D打印技術參數和材料性能見表2。

表2 打印材料技術參數及性能 mm

2）力學性能比較。混凝土與鋼筋形成鋼筋混凝土后，不僅能承受自重載荷和設計使用載荷，而且能承受地震載荷等突發性動載荷作用。無論鋼筋混凝土梁、板、柱等構件，都能承受很高的外力作用，具有很高的抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度、抗剪強度等。

3）保溫結構構造的實現。目前的3D打印能很容易地形成空腔墻體結構，這樣就使得其打印的墻體自身就有一定的保溫節能優勢。若目前馬上推進3D打印建筑工程，則完全可以在其空腔墻體的基礎上，采用常規的外墻薄抹灰保溫技術，在打印墻體時，就把泡沫保溫層分層加入，和打印噴頭噴出的膏狀材料一起膠結成保溫層+空腔墻體，這樣有可能在減少保溫泡沫層厚度的前提下，達到三步節能的要求。此外，這種墻體還會有良好的隔聲效果，見圖4-圖7。

圖4 3D打印的打印構造

圖5 推薦的3D打印空腔+保溫層墻體構造

圖6 3D打印墻體的安裝

圖7 3D打印墻體細部

4）多層及高層打印。目前的3D打印技術，只完成了一、二層低層建筑的施工應用試驗。而將來要讓3D打印進入真正的施工領域，完成多層、高層乃至超高層建筑的施工，才能更廣泛的推廣這種現代技術。

實現多層、高層乃至超高層建筑的3D打印，最應解決的2個基本問題就是打印機的爬升和混凝土的提升。相應設備的設計和混凝土材料性能的多功能性，是實現多層、高層及超高層打印的技術基礎。

5）獨立打印+人工輔助施工。研究3D打印建筑的出發點，就是最大程度實現依靠3D打印機的獨立性施工模式。但作為一項實用技術，根本上不應完全排除人工輔助的合作施工模式，尤其在復雜的土木施工環境條件下，在3D打印施工技術開發之初期，不應完全拒絕人機共做模式。比如預制構件節點處的連接；局部加強部位鋼筋的擺放、固定和調整；輕鋼結構的構架、拴接等。采用必要的人機工作模式，可能會在3D打印初步，有效地解決打印機尚不能很好解決的建筑工地遇見的一些意想不到的問題。這樣，也有利于讓承包商快速接受3D打印建筑施工技術。

3 尚需進行研究的幾個問題

3.1 打印材料的固化

打印材料的固化速度是打印建筑不可避免的一個問題。

打印材料的固化速度受溫度的影響。在春夏秋季，應該能在14～28℃范圍內，不進行較大的配比調整就能正常固化。在5～14℃采用加速固化配比保證固化；在28～38℃采取延緩固化技術達到正常打印的工藝要求；而在負溫條件下，需要在保溫養護的條件下謹慎調整固化方案，滿足冬期施工的質量要求。

固化時間根據打印速度和環境溫度確定，見表3。

表3 3D打印控制參數

打印速度和打印材料固化速度，決定打印建筑施工速度，也決定了打印的結構形式、生產模式等。噴射混凝土由于摻入了速凝劑，使混凝土從加水到初凝可調控在5 min之內，終凝可控制在15 min之內。3D打印若不采用其他輔助措施，打印拱形窗口門洞，打印材料固化宜在1 min之內；打印其他結構如墻面后門窗洞口的豎向結構部分，固化速度應≯5 min；打印其他水平構件固化時間不宜＞15 min。

3.2 打印材料的養護

養護要解決2個問題，其一保證強度增長，其二避免開裂破壞。

3D打印材料根據特性，可分為非養護型和養護型材料。如用樹脂類材料通過光固化、化學反應固化等，無須提供特殊的養護。而通過水泥類無機膠凝材料拌和的打印材料，應該保證其環境的溫度和濕度，保證水泥類材料的正常水化、凝結和硬化。

3.3 打印材料的提升及泵送

3D打印材料要實現多層及高層建筑的建設需要還要解決打印設備的爬升、提升問題。同時亦要解決打印材料的提升問題。

單層或二層建筑的打印，僅通過龍門架的高度就可實現。要完成6～7層多層建筑，可考慮龍門架的爬升、腳手架懸掛、塔帶機式的送料與騎墻式行走等打印的模式。

可選擇干料提升、拌和料提升、塔帶機輸送、拌和物泵送等工藝。

這樣就要求混凝土的流動性(坍落度)不能低于100mm，混凝土的凝結時間也應達到30 min，甚至120 min。

3.4 打印與預制的組合

盡管本文在討論3D打印建筑，但為實現其產業化，也有必要探討其與預制混凝土的結合，與常規的現澆混凝土的結合，甚至與電氣設備安裝的有機結合。

實際上現澆鋼筋混凝土結構與預制鋼筋混凝土結構材料可以與3D打印材料與技術在組合和構造上達到互補，在施工和性能上相互協調。現澆或預制鋼筋混凝土構件可以形成框架結構，3D打印可以形成填充墻體、剪力墻墻體、保溫節能墻體，甚至是裝修的地面、墻面、棚面；可以完成預制構件節點的打印“焊接”施工等。現澆或預制構件中的鋼筋混凝土結構可以補償打印過程中配筋煩瑣，節點構造復雜，鋼筋混凝柱豎向鋼筋框架阻礙打印，混凝土梁鋼筋框架打印不密實而導致抗震能力不足等缺陷；3D打印可以解決預制框架結構的冷橋，改善剪力墻結構的外保溫隔熱性能，實現建筑物的抗震及三步、四步節能，亦可以通過3D打印技術，協同留置并安裝各種水電氣管線，實現電氣安裝、建筑裝修的一體化過程，見圖8。

圖8 3D打印與現澆及預制相結合

4 結語

4.1 創新的3D打印建筑概念

目前的3D打印建筑，雖然已經打印出建筑模型或簡單的建筑，但其材料和結構強度、抗震安全性、材料耐久性都有待于試驗和驗證。尤其當考慮建筑物的使用壽命時，其打印材料和傳統的鋼筋混凝土在結合的基礎上創新，應該是一個值得探討的方向。

4.2 新型3D打印混凝土

研究認為，目前的打印建筑單層疊合打印厚度為20～30mm。若產業化及經濟性角度看，產業化應用應該注意研究單層疊合打印厚度為80～150mm的材料。建筑結構的安全性、經濟性和耐久性，適于3D打印的混凝土材料的組成、配比、拌和技術以及與此相關的拌和設備、打印設備的開發研究，應是未來3D打印建筑研發重點。

4.3 鋼筋混凝土的3D節點

目前我國各類規范規定，重要建筑的使用壽命要達到100 a，住宅應具有50 a乃至70 a以上建筑使用壽命。按目前的建筑結構的理論、材料及結構性能和未來發展的需要，在相當長的時期內，使用壽命達70 a乃至100 a仍為未來建筑結構的主流。因而3D打印建筑結構的方向之一，還是要發展鋼筋混凝土打印結構來滿足其使用壽命的要求。這就要求目前的3D打印要加強“柱間打印”技術研究，以期實現框架柱預制或輕鋼結構構建后，再經3D打印形成建筑。同時也應注意解決打印建筑的鋼筋混凝土“梁柱節點構造”原理，剪力墻鋼筋鋪設與打印協調技術，以實現最終3D打印的鋼筋混凝土結構。

[1]李福平，鄧春林，萬 晶.3D打印建筑技術與商品混凝土行業展望[J].混凝土世界，2013，（3）：28-29.