3D打印技術在建筑領域的研究進展

林宗浩，石從黎，陳敬

（重慶建工建材物流有限公司，重慶 401122）

3D打印技術在建筑領域的研究進展

林宗浩，石從黎，陳敬

（重慶建工建材物流有限公司，重慶 401122）

近年來，3D 打印技術作為高速發展的新興技術，在機械、醫學等行業取得了很大成功，在建筑領域也有所發展。本文重點從 3D 打印建筑技術中的建筑 3D 打印機、建筑 3D 打印材料、3D 打印建筑實例出發，闡述了國內外 3D 打印建筑技術發展狀況及最新進展，討論了建筑 3D 打印機、打印材料在當前所面臨的問題，分析并提出了未來可研究的方向。

3D 打印技術；建筑 3D 打印機；建筑材料；3D 打印建筑實例

0 前言

當前人類正面臨歷史上第三次工業革命浪潮，信息化和數字化產業的發展是必然趨勢。英國《經濟學人》雜志在《第三次工業革命》一文中，將 3D 打印技術作為第三次工業革命的重要標志之一，引發了世人的關注。隨著 3D 打印技術在全球的知名度逐漸提高，在各行各業的應用也都逐漸被開發了出來。如今，3D 打印廣泛涉獵各大行業，在航空航天、工業、生物醫療以及建筑等產業都取得了飛速地發展。

在建筑行業，3D 打印技術同樣順應了產業革命的發展。3D 打印建筑是利用計算機發出指令控制工業機器人逐層重復鋪設材料層構建自由形式的建筑結構的新興技術，將使大規模的個性化生產成為可能，逐步實現快速建造和產業化生產，并會創造出大量的傳統工藝不易甚至無法生產的新建筑結構[1]。同時，3D 打印建筑技術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、傳統建筑模式無法比擬的。

混凝土作為建筑上用量最大、范圍最廣的建筑用材料，3D 打印建筑技術主要就是 3D 打印混凝土技術，是在 3D 打印技術的基礎上發展起來的混凝土施工新技術。目前的 3D 打印機主要是小型的桌面打印機，并不適用于建筑 3D 打印。因此本文以 3D 打印混凝土技術為例，主要從打印機設備和打印材料以及一些 3D 打印的建筑實例出發，探討了 3D 打印建筑技術的研究進展。

1 建筑 3D 打印技術相關概念

3D 打印技術的概念在 20 世紀 70～80 年代首次問世，當時被稱為 “快速成型”技術。1986 年，Chuck Hull 發明了立體光刻工藝（SLA），并獲得專利[2]。而 Joseph Pegna[3]是第一個嘗試使用水泥基材料進行建筑構件 3D 打印的科學家，其方法類似于選擇性沉積法：先在底層鋪一層薄薄的砂子，然后在上面鋪一層水泥漿，采用蒸汽養護使其快速固化成型。而當前應用于建筑領域的 3D 打印技術主要有三種：D 型工藝（D -Shape）[4]（圖1）、輪廓工藝（Contour Crafting）[5]（圖2）和混凝土打印（Concrete Printing）[6]（圖3）。

3D 建筑打印是利用工業機器人通過逐層累積最終形成一個自由形式的建筑結構成品的新興技術。其構成和傳統打印機基本一樣，都是由控制系統、機械系統、打印噴頭、建筑打印材料組成的。根據電腦上設計的完整的三維模型數據，通過一個運行程序將材料分層打印輸出并逐層疊加，最終將計算機上的三維模型變為建筑實物。與傳統建筑施工工藝相比，3D 建筑打印技術有以下主要優勢：

（1）施工工期短；

（2）不會因為建筑形狀、結構復雜性等因素而增加建設成本；

（3）不需要模板，定制性強，可塑性好，可打印出任何細節特點與復雜曲面、管道等；

（4）根據 CAD 設計圖，全程由電腦程序操控，無需人工干預，這意味著建筑行業傷亡事故風險的大幅減少，大量節省人員勞工，且用于建筑施工的安全措施費降低；

（5）可以降低建筑粉塵污染，減少霧霾，保護環境，實現綠色環保。

圖1　D-Shape 制作的建筑物和月球建筑效果圖

圖2　Contour Crafting 制作的墻體和建筑效果圖

圖3　Concrete Printing 制作的異形構件

2 建筑 3D 打印機設備的研究進展情況

目前用于建筑的 3D 打印機主要由兩部分組成，第一部分為連續輸出建筑材料的系統即輸料系統，第二部分為打印機的主體結構即帶動輸料系統根據計算機發出的指令運動的運動系統。整個打印機的工作流程示意圖如圖4 所示。

圖4　建筑 3D 打印機工作示意圖

目前打印機常用運動系統的結構主要有兩種，一種是直角坐標系結構，另一種為球坐標系結構。圖5 所示為兩種不同結構類型的直角坐標系的運動系統結構，圖中左邊的打印機是將整個輸料系統放在一根橫梁上通過豎直方向的兩根導軌帶動整個橫梁在豎直方向（Z 軸）進行上下運動實現打印過程的材料疊加完成整個實物的打印；右圖中打印機的橫梁固定在打印機的最頂端不動，輸料系統懸掛在 Z 軸的最末端，利用螺桿或者齒輪通過“伸縮”的方式使得輸料系統在 Z 軸上進行坐標移動進行材料疊加完成整個實物的打印過程。

圖5　直角坐標系結構打印機

如圖6 所示為球坐標系結構的建筑 3D 打印機，圖中左邊為意大利一家公司發明的建筑 3D 打印機，圖中右邊為泰國暹羅水泥集團 3D 打印水泥機。這種球坐標系結構的 3D 打印機方便于輸料系統的安裝設置，可以直接將料斗設置在球坐標的三軸的交匯點處，通過電腦發出指令使得三軸的伸縮進行坐標點的連續變化實現打印過程。

圖6　球坐標系結構打印機

關于建筑 3D 打印機輸料系統目前的輸送動力主要是靠擠壓。但目前為了改善以下因材料所產生的打印問題導致了輸料系統的類型繁多，其主要問題有：

（1）眾所周知混凝土材料是多種原材料混合而成，其中含有不少粒徑相對偏大的骨料，噴嘴的口徑也相對偏大導致逐層疊加打印過程中每層間會產生一些明顯凹紋整體打印表面粗糙；

（2）混凝土材料從塑性狀態到凝固并形成強度需要一定時間，在逐層疊加過程中下層材料不足以支撐上層材料的重量導致逐層疊加的高度受到限制；

（3）混凝土材料抗壓強度高，但抗折、抗拉、抗彎能力弱，無法在打印過程中實現鋼筋的布置導致實體的抗震、抗風力沖擊能力較弱。

為了解決打印出的建筑實體表面粗糙這一缺陷問題，南加州大學發明在打印機噴頭處添加泥刀，如圖7 中左圖所示，用于抹平和精確規整打印建筑每一層的外表面，以解決打印建筑實體的過程中不可避免的層級堆積效應，出現表面不平整的橫向凹紋現象[8]。為了解決打印過程中混凝土材料堆積高度受限的問題，一家荷蘭公司根據混凝土升高溫度可以加速凝固這一特點，在打印機噴頭處添加暖風通入裝置，如圖7 的中間圖所示，能夠及時對打印出的實體進行加熱，加速混凝土材料的凝固，以致打印過程中下層材料對上層材料提供足夠的支撐能力。針對于 3D 打印混凝土過程中無法設置鋼筋的問題，中國北京華商陸海科技有限公司采用預先設置好鋼筋，再通過改進打印噴頭改善出料方式進行混凝土打印，如圖7 中右圖所示，將鋼筋包裹在混凝土內部，從而保證了打印建筑實體的抗折、抗拉、抗彎強度，與目前現澆施工方式建造的鋼筋混凝土建筑幾乎沒有區別。

圖7　左邊為南加州大學輪廓工藝噴頭[7]，中間為荷蘭打印機噴頭加熱系統，右邊為華商陸海 3D 打印混凝土噴頭

除了以上幾種通過改進輸料系統來達到 3D 打印建筑的各種技術要求，也有學者提出從混凝土材料本身著手解決以上問題，比如混凝土材料中摻入抗堿玻璃纖維[9]。玻璃纖維主要是短玻璃纖維，其作用原理相當于加筋原理，以此來解決 3D打印建筑的抗彎拉強度不足的缺點。建筑 3D 打印機輸料系統的改進特別是噴頭設計的進步，使得用于建筑上的 3D打印技術日趨成熟，為未來實現自動化建設奠定了有力的基礎。

3D 打印技術在建筑中使用不得不面對建筑實體是一個巨型尺寸的問題，這將對打印機的尺寸放大是一個不小的考驗。對于單層、低層或者面積較小建筑的打印僅通過改變龍門架的長度、寬度、高度就可以實現，要完成更高層、更大面積的建筑就將面臨著考慮機器本身的尺寸、設備以及打印材料的輸送、提升等問題的考驗。可以考慮龍門架提升、腳手架懸掛、塔帶機式的輸送材料與騎墻式行走等打印的模式；也可以考慮將利用鋼架高度的增加以逐級將整個打印設備提升到所需的高度。以此來解決高層結構打印所面臨的打印設備高度有限的問題。對于建筑實體面積較大的，可以采用多臺打印機設備同時分工、協作的工作方式進行分塊打印，最后形成一個統一的整體。

3 用于 3D 打印的建筑材料研究進展

一直以來，建筑 3D 打印真正的障礙是材料。混凝土材料不同于其他 3D 打印材料，比如塑料、金屬、ABS 等能在高溫情況下熔為液體，在空氣中能迅速的凝固為固體便于堆積。混凝土和水泥這些材料需要非常適合于 3D 打印機器人的大規模修建工作，它們需要能夠快速干燥，以支撐起自己以及上層的重量并結合在一起。泰國水泥生產商暹羅水泥集團（SCG）已經開發出了一種令人吃驚的新水泥，它將粉體材料和纖維用一種特殊的組合方式來混合，使其可以迅速被打印成非傳統的形狀，如圖8 所示。它能夠快速結合并且凝固因而可以打印成令人驚奇的曲線和彎折，并且在干燥過程中可以保持獨立而不需要支撐材料。

基于混凝土材料的自身特點需要相對較長的時間才能凝固，3D 打印混凝土材料的問題最主要的是解決材料打印出來后能夠承載自身以及上層材料的重量以及材料的連續性、柔韌性以便于打印過程不出現斷料的問題。Enrico Dini[4]基于膠凝材料和細骨料混合硬化的快速成型原理，對細砂和鎂基膠的運用探索出能夠打印復雜形體的 D-Shape 打印設備和材料。劉福財[10]等人發明了一種用于 3D 打印的高性能粉末混凝土，采用摻入活性礦物摻合料、增稠劑、快速凝結時間調節劑以及纖維克服了現有技術的缺陷提供了一種固化速度快、粘結性能優良的高性能混凝土，適用于建筑工程中 3D 打印建筑；馬義和[11]等人發明了一種可用于 3D 打印的混凝土材料及其制備方法，充分利用不同長度和規格的耐堿玻璃纖維以及 HPMC 纖維素增加混凝土的粘結能力，得到了抗拉性和抗壓性都很好的可用于 3D 打印建筑的混凝土材料。也有學者選用特種水泥作為膠凝材料通過添加劑調節凝結時間而制備出3D 混凝土材料：范詩建等[12]將堿性氧化物和磷酸鹽以及添加劑等按一定比例配合后研磨成一定細度的固體粉末配成磷酸鹽水泥，通過添加劑調整凝結時間控制在 1～15min，1h 抗壓強度達到 45～65MPa，抗折強度達 5.5～10.5MPa，用于建筑 3D 打印；藺喜強[13]等以快硬硫鋁酸鹽水泥和礦物摻合料組成復合膠凝材料，通過添加復合調凝劑和復合體積穩定劑配成可用于 3D 打印的混凝土材料，其初凝時間20～50min，終凝時間 30～60min，可以靈活控制，2h 抗壓強度為 10～20MPa，28d 強度 50～60MPa，可以滿足建筑 3D 打印的連續性和強度要求。

圖8　暹羅水泥集團（SCG）的 3D 打印建筑

目前 3D 打印建筑材料主要是水泥基材料，在打印的過程中材料具有可塑性并且需要保持良好的柔韌性、連續性，使得材料性能與打印機的匹配度要求較高，在打印結束后又需要形成足夠的強度。水泥基材料將不得不面臨材料抗折、抗拉、抗彎拉強度不足的問題。有兩種方法能夠較好的解決3D 打印建筑材料的問題：（1）研發具有較高抗拉強度、較強抗裂能力和塑性的復合材料，可以通過在混凝土基材中加入纖維材料和細骨料的方法來提高其抗拉強度和各項性能指標。（2）采用兩種打印材料，一種為受壓材料，一種為受拉材料，打印時設置雙打印頭，在構件的受拉部位打印受拉材料，受壓部位打印受壓材料。兩種打印材料之間必須具有良好的黏結性能，有效形成一個整體工作體。

4 目前 3D 打印建筑的實際案例

隨著 3D 打印技術的日益成熟，以及經過眾多研究者的努力將其運用于建筑上，已經誕生了諸多通過 3D 打印出來的建筑實體。

2013 年 1 月荷蘭建筑師簡加普?魯基森納斯會與意大利發明家 EnricoDini（D-Shape 3D 打印機發明人）一同合作，他們計劃打印出一些包含砂子和無機粘合劑的 6×9(m2) 的建筑框架，然后用纖維強化混凝土進行填充。這次需要用到的 3D打印機也十分龐大，是由意大利發明家 EnricoDini 設計出來的“D-Shape”，使用砂礫層、無機粘結劑，最終的成品建筑會采用單流設計，由上下兩層構成，打印出一幢兩層小樓名為“Landscape House”[14]。

2014 年 4 月，中國著名企業盈創（上海）建筑科技有限公司通過 3D 打印的 10 幢建筑在上海張江高新青浦園區內揭開神秘面紗。這些建筑的墻體是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，依據電腦設計的圖紙和方案，經一臺大型的 3D 打印機層層疊加噴繪而成，據介紹 10 幢小屋的建筑過程僅花費24 小時；2015 年 1 月盈創建筑科技有限公司在江蘇省蘇州工業園區，通過 3D 打印技術打印出了一棟五層樓樓房和一套1100 平方米的精致別墅；2016 年 7 月，盈創全球首個 3D 打印的辦公室正式落戶迪拜，占地 250 平方米，整個工程用時19 天[15]；2016 年 8 月，盈創公司為蘇州太陽山 4A 級景區打印出全球首批“3D 打印”綠色環保廁所[16]；2016 年 9 月盈創公司在山東省濱州市使用 3D 打印技術一次性打印出兩套中式風格別墅庭院，用時僅兩個月[17]。

2016 年 8 月新浪直播間揭秘了華商陸海科技有限公司位于北京市通州區的富豪工業園的全球首棟 3D 整體打印的別墅，此別墅用時 45 天打印完成，也是全球首例整體打印的樓房[18]。整體打印技術大大提高了整體建筑的強度、抗震性、抗剪切性能，打印出來的墻體也符合現有的國家規范和法規，可以達到抗拉、抗震、抗壓、抗剪切的建筑強度要求，能抗八級地震。

最后對于通過 3D 打印的建筑的結構安全性、耐久性等是否能夠達到建筑驗收標準的問題，目前對此相關研究幾乎為空白，還有待進一步的驗證。

5 結語

3D 打印建筑技術能夠解決傳統的建筑建造過程速度慢、工期長，以及施工危險、勞動強度大等問題。隨著技術改進，已經可以“打印”方形、環形、圓形以及不規則形狀的房屋部件，甚至有了 “打印”一整棟房屋的能力。將 3D 打印原理和建筑結構及材料的關鍵技術問題結合起來，發展新的、低成本的 3D 打印方法體系，不但對于解決全球住房危機和節約能源、環保等問題從而促進社會和諧發展顯得迫切而意義深遠，也會對未來建筑業的發展產生重大的影響。此外，3D 打印建筑技術可以實現異形建筑的打印，對環境的要求較小，可將其應用于外太空的探索，迅速完成太空基地的建設。但是對于打印建筑這樣的龐大體積實體也還有諸多的問題存在，需要各方研究者在接下來的研究中進一步完善。

[1] 李滌塵，賀健康，田小永，等．增材制造：實現宏微結構一體化制造[J]．機械工程學報，2013,06:129-135．

[2] Bose S, Vahabzadeh S, Band yopadhyay A. Bone tissue engineering using 3D printing [J] . Material s Today, 2013, 16(12): 496-504.

[3] J.Pegna, Exploratory investigati on of solid freeform construction, Automation in Construcion. Vol 5 ( no. 5) (1997) 427-437.

[4] Enrico Dini . “D-Shape” , http: //www. d-shape. com .

[5] B. Khoshnevis, D. Hwang, K. Yao, Z. Yeh, Mega-scalef abrication by contour crafting, International journal of Industrial and Sysem Engineering Vol 1 ( no.3) (2006) 301-320.

[6] S. Lim, T. Le, J. Webster, R. Buswell, S. Austin, A. Gibb, T. Thorpe, Fabricating construction components using layer manufacturing technology, ( GICC' 09) , Paper presented at the Global Innovion in Construction Conference, Loughborough Universi ty, Leicesershire, UK, 2009, 13-16 Septeber, 2009.

[7] Behrokh K, Anders C, Neil Leach M T. Robotic construction on the moon: the potential of contour crafting[J]. Urbanism and Architecture，2012(12) : 40-48．

[8] 張大旺，王棟民．3D 打印混凝土材料及混凝土建筑技術進展[J]．硅酸鹽通報，2015,34(6): 1583-158．

[9] 蘇達．3D 打印建筑結構材料的性能研究[J]．工程建設與設計，2016(7): 52-54．

[10] 劉福財．一種用于 3D 打印的高性能粉末混凝土[P]．中國，201510375110，0.2015.10.07．

[11] 馬義和．一種可用于 3D 打印的混凝土材料及其制備方法[P]．中國，201510228281.0，2015.08.26．

[12] 范詩建，杜驍，陳兵．磷酸鹽水泥在 3D 打印技術中的應用研究[J]．新型建筑材料，2015(1): 1-4．

[13] 藺喜強，張濤，霍亮，等．水泥基建筑 3D 打印材料的制備及應用研究[J]．混凝土，2016(6): 175-180．

[14] 荷蘭 3D 打印大樓開工將成為世界首棟打印建筑[EB/ OL]. http://www.jfdaily.com/life/new/201404/t20140403_229582. html?prolongation=1, 2014-04-03/ 2016-09-18．

[15] 馬義和．3D 打印建筑技術與案例[M]．上海：上海科學出版社，2016: 68-88．

[16] 盈創全球首個“3D 打印”4A 景區基礎設施環保公廁亮相中國[EB/OL］．http://www.wtoutiao.com/p/3e4vDym.html，2016-9-11/2016-9-18．

[17] 3D打印別墅亮相山東濱州．中式裝修風格引關注[EB/ OL]. http://news.to8to.com/article/126214.html，2016-9-9/2016-9-18．

[18] 揭秘全球首棟整體 3D 打印的別墅[EB/OL］．http://live. sina.com.cn/zt/l/v/news/3dhou2016/,2016-8-31/2016-9-18．

［通訊地址］重慶市沙坪壩區沙正街學府小區 5-2（401122）

Research progress of 3D printing technology in building field

Lin Zonghao, Shi Congli, Chen Jing
(Chongqing Construction Engineering Building Materials & Logistics Co., Ltd., Chongqing 401122)

3D printing technology is a new technology rapid developed in recent years, not only have achieved great success in field of machinery, medicine, but aslo it have some development in building field. This article focuses on building 3D printer and building materials in building 3D printing technology and 3D building printing examples, expound the development and latest progress of building 3D printing technology at home and abroad. We discussed the currently question that faced with building 3D printer and building materials, and then we analyzed and proposed the possible research directions in the future.

3D printing technology; building 3D printer; building materials; 3D building printing examples

林宗浩（1988—），男，碩士，工程師。研究方向：新型建筑材料技術研究與應用。