3D打印建筑技術(shù)研究與應(yīng)用綜述

于澤

摘要：3D打印技術(shù)在近半個(gè)世紀(jì)得到了廣泛的關(guān)注，在制造業(yè)已取得了巨大的成功。建筑工業(yè)化是世界建筑行業(yè)未來發(fā)展的趨勢(shì)，3D打印建筑技術(shù)也將會(huì)是建筑工業(yè)化發(fā)展的一個(gè)重要方向。本文從現(xiàn)有較成熟的幾類3D打印建筑技術(shù)入手，客觀闡述了3D打印建筑技術(shù)目前的現(xiàn)狀，3D建筑打印材料與工藝的分析以及所存在的問題。

關(guān)鍵詞：3D打印材料；建筑；混凝土；3D打印建筑技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP334.8；TU18文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-3024（2017）02-0003-02

引言

3D打印技術(shù)起源于上世紀(jì)80年代，根據(jù)美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）3D打印技術(shù)委員會(huì)（F42委員會(huì)）公布的定義，3D打印是一種與減材制造和等材制造等傳統(tǒng)的制造技術(shù)迥然不同的，以模型的三維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過打印機(jī)嘴擠出材料，逐層打印增加材料來生成3D實(shí)體的技術(shù)，因此又稱為增材制造（AM，Additive Manufacturing）。目前，3D打印技術(shù)正在被運(yùn)用到越來越多的行業(yè)，比如航空航天、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、藝術(shù)設(shè)計(jì)等。

3D打印技術(shù)同樣引發(fā)了建筑業(yè)追捧的熱潮。當(dāng)代建筑用量最大、范圍最廣、最經(jīng)濟(jì)的建筑材料一混凝土雖然只發(fā)展了不到200年的時(shí)間，但其已然成為應(yīng)用最廣的建筑材料，為人類文明的發(fā)展貢獻(xiàn)了不可替代的價(jià)值。隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，混凝土材料在生產(chǎn)方面的較高能耗和污染的弊端也逐漸地顯露出來，嚴(yán)重阻礙了其發(fā)展。以3D打印為基礎(chǔ)的3D打印建筑技術(shù)作為一種新興技術(shù)，將成為傳統(tǒng)建筑工業(yè)化發(fā)展史上的一大重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

1.3D打印建筑技術(shù)現(xiàn)狀

2012年1月，美國航天局（NASA）與南加州大學(xué)合作開發(fā)出“輪廓工藝”（Contour Craftings）3D打印技術(shù)。2013年1月，荷蘭設(shè)計(jì)師Janjaap Ruijssenaars計(jì)劃使用3D打印技術(shù)建造莫比烏斯環(huán)建筑。同年1月，歐洲航天局聯(lián)合建筑公司Forster等公司研發(fā)月球空間站3D打印項(xiàng)目，計(jì)劃利用月球土壤和其他添加劑完成部分建筑建材的生產(chǎn)。2013年2月，英國設(shè)計(jì)師Softkill Design建立一項(xiàng)用纖維尼龍為結(jié)構(gòu)材料建設(shè)民用住房的研究。2013年3月，荷蘭公司DAS聲稱將建造3D打印運(yùn)河屋，于2014年1月實(shí)現(xiàn)了運(yùn)河屋組件的3D打印，預(yù)計(jì)三年時(shí)間建設(shè)組裝完成。2013年1月，中國的盈創(chuàng)公司在利用高標(biāo)號(hào)水泥、玻璃纖維和部分添加劑完成了10棟上海青浦工業(yè)園區(qū)臨時(shí)設(shè)施的打印，2015年2月盈創(chuàng)又陸續(xù)完成了通過3D打印構(gòu)件拼裝成的2層別墅和6層住宅、一體化打印成型的迪拜城市博物館小屋等建筑。總體而言，從2012年開始3D打印建筑技術(shù)在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了百家爭(zhēng)鳴的現(xiàn)象，比較主流的3D打印建筑技術(shù)有D-shape、輪廓工藝和盈創(chuàng)3D打印體系。

1.1D-shape 3D打印建筑技術(shù)

D-shape 3D打印建筑技術(shù)由Monilite UK的創(chuàng)始人EnricoDini先生發(fā)明。根據(jù)Monilite UK網(wǎng)站顯示資料，該技術(shù)使用的是普通的沙子和無機(jī)粘結(jié)劑，可打印二層住宅，打印內(nèi)容除了主體結(jié)構(gòu)之外還包括樓梯、內(nèi)隔墻、柱、屋頂以及管道預(yù)留孔洞。D-shape技術(shù)打印出的材料無論是外觀還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強(qiáng)混凝土。

D-shape所使用的工藝與現(xiàn)在主流的工業(yè)打印技術(shù)（激光選區(qū)熔化技術(shù)原理）類似。一個(gè)巨形3D打印機(jī)內(nèi)先鋪滿一層沙子和固體催化劑混合物，打印機(jī)噴嘴按照預(yù)先預(yù)設(shè)好的路徑噴射液體粘合劑，粘合劑與催化劑接觸后啟動(dòng)固化程序，沙子被包在里面起結(jié)構(gòu)支承作用，該層打印完成后再重新鋪設(shè)一層沙子與催化劑的混合物繼續(xù)打印下一層直至打印完成。整體建筑的固化耗時(shí)24小時(shí)，但5-10mm厚的單層材料在打印期間可以形成足夠的強(qiáng)度支撐下層的打印，打印期間無需停頓。

目前，Manilite公司參與了一項(xiàng)由Foster and Palter公司發(fā)起的“3D打印月球基地開發(fā)計(jì)劃”，具體為一個(gè)四人間大小的月球基地。該房屋的底座由模塊化管道組成，上面是充氣式圓頂，然后以月球土壤為基礎(chǔ)材料，目前已經(jīng)利用D-shape技術(shù)模擬月球土壤成功制造了1.5噸重的實(shí)物模型；D-shape打印機(jī)也在模擬月球環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試。

1.2輪廓工藝

美國南加利福尼亞大學(xué)（University of Southern Califomia）的比洛克·霍什內(nèi)維斯（Behrokh Khoshnevis）教授發(fā)明的輪廓工藝（Contour Craftings）是一種由數(shù)字控制的建造工藝，通過分層制造技術(shù)，可以直接按照計(jì)算機(jī)模型制造部件。由于無需使用傳統(tǒng)混凝土施工中的模板，輪廓工藝可以大大降低成本和建造時(shí)間。

輪廓工藝的原理與傳統(tǒng)3D打印所謂的按層擠出材料打印技術(shù)類似，通過一個(gè)可移動(dòng)的噴嘴根據(jù)設(shè)計(jì)圖的指示，在指定地點(diǎn)噴一圈半流體的混凝土材料，就像在桌子上擠出一圈牙膏一樣，為達(dá)到連續(xù)打印的要求，混凝土材料會(huì)在下一層打印之前初步形成強(qiáng)度。泥刀作為整個(gè)技術(shù)的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)抹平和精確規(guī)整每一層的外表和頂面。泥刀的出現(xiàn)解決了在實(shí)際建筑過程中由于打印建筑產(chǎn)生的層級(jí)堆積效應(yīng)而導(dǎo)致的表面粗糙，橫向條紋明顯的現(xiàn)象。噴嘴和泥刀逐層打印出建筑構(gòu)件的內(nèi)外殼，再通過擠壓、澆灌或注入來填充內(nèi)核，作為結(jié)構(gòu)加固的擠壓模型系統(tǒng)。

“輪廓工藝”的工作速度非常快，24小時(shí)之內(nèi)能打印出一棟兩層樓高、2500平方英尺（約合232平米）的房子。根據(jù)Khoshnevis教授的專訪，他已經(jīng)成立了一家公司，商業(yè)化運(yùn)作Contour Craftings技術(shù)，目前該技術(shù)正在接近各種應(yīng)用。目前Khoshnevis教授的公司已經(jīng)完成了石膏板材料的打印，不久將打印保溫材料。未來還將實(shí)現(xiàn)布線功能。對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)在月球上的應(yīng)用，Khoshnevis教授目前正在與NASA（美國宇航局）合作，進(jìn)一步發(fā)展3D打印在太空中的應(yīng)用，目前已經(jīng)成功地展示了將該技術(shù)稍加變化后應(yīng)用于火星或月亮上的可行性。

1.3盈創(chuàng)3D打印體系

盈創(chuàng)體系發(fā)明人馬義和先生在全球范圍內(nèi)首先嘗試了3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。迄今盈創(chuàng)已面向全球發(fā)布了其10套3D打印簡(jiǎn)易房屋、3D打印構(gòu)建拼裝的兩層別墅和六層住宅，還有一系列的一體化3D打印建筑產(chǎn)品。

盈創(chuàng)3D打印建筑體系主要由“打印膜殼”、填充材料和配筋構(gòu)成。其中膜殼打印的原材料主要由水泥、沙子、玻璃纖維和添加劑構(gòu)成。短玻璃纖維摻雜在細(xì)骨料混凝土中在一定程度上起到了結(jié)構(gòu)加固的作用。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，3D打印出的墨在形成強(qiáng)度后平均寬度30mm，厚度18mm。預(yù)制配筋分兩種，橫向配筋在需要插入的位面打印完成后鋪設(shè)；豎向配筋在打印完成后放入“膜殼”填充層，澆灌混凝土填實(shí)。目前其膜殼強(qiáng)度相當(dāng)于C20混凝土強(qiáng)度，但由于玻璃纖維的加入，其抗折、劈拉強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度均比較優(yōu)秀。目前盈創(chuàng)的3D打印產(chǎn)品急需標(biāo)準(zhǔn)的建立來融入中國建筑市場(chǎng)體系。

2.3D打印建筑混凝土材料與工藝分析

3D打印建筑技術(shù)目前仍面臨材料方面的瓶頸。2012年，英國拉夫堡大學(xué)的研究正研發(fā)出新型的混凝+3D打印技術(shù)，在計(jì)算機(jī)軟件的控制下，使其具有高度可控制擠壓性的水泥基漿體，完成精確定位混凝土面板和墻體的孔洞打印；荷蘭人采用了塑料及樹脂類的材料；美國人采用樹脂砂漿類、黏土類、混凝土類等技術(shù)處理作為3D打印建筑材料；據(jù)公開資料披露，上海盈創(chuàng)所使用的3D打印材料為玻璃纖維增強(qiáng)混凝土。

盈創(chuàng)目前的3D打印建筑體系仍然是打印建筑構(gòu)件加拼裝的體系。同濟(jì)大學(xué)曾于2014年12月14日對(duì)其打印構(gòu)件的膜殼出具《3D打印建筑結(jié)構(gòu)材料性能測(cè)試總結(jié)報(bào)告》，報(bào)告中說明，其3D打印材料強(qiáng)度相當(dāng)于C20混凝土，早期強(qiáng)度較高，后期強(qiáng)度增長乏力，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28d后強(qiáng)度基本不增長；打印材料的靜彈性模量為1.5*104MPA，為28d抗壓強(qiáng)度相似的砂漿的50%；打印材料吸水率3.7%，遠(yuǎn)低于一般水泥基材料，可能原因是打印材料中含有增稠劑；打印材料與C20混凝土耐久性基本持平，抗?jié)B標(biāo)號(hào)P6，抗凍標(biāo)號(hào)D150；打印材料抗氯離子滲透值達(dá)2000cc以上，遠(yuǎn)低于耐久性混凝土。根據(jù)報(bào)告結(jié)果分析，盈創(chuàng)3D打印材料強(qiáng)度、抗腐蝕性均需改進(jìn)，該材料仍不適合作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)在建筑體系中，僅可作為內(nèi)隔墻等非承重建筑構(gòu)件使用。若能在控制成本的前提下，將打印材料的強(qiáng)度、耐久度、與鋼筋的結(jié)合能力提升上來，結(jié)合其3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，盈創(chuàng)3D打印體系會(huì)在未來的建筑工業(yè)化市場(chǎng)中占有一席之地。

3.3D打印建筑技術(shù)存在的問題與發(fā)展

3D打印建筑雖然比傳統(tǒng)的建筑具有施工周期短、建筑造型豐富、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。但作為一種尚在研發(fā)階段的新型技術(shù)，仍存在以下的問題：

（1）原材料的問題

原材料仍然是制約3D打印建筑技術(shù)發(fā)展的重要瓶頸。盈創(chuàng)雖然已經(jīng)研發(fā)出可達(dá)到打印要求的纖維加強(qiáng)改性混凝土材料，但其各項(xiàng)性能均無法達(dá)到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的要求。此外3D打印建筑的耐久性以及玻璃纖維裸露對(duì)人體的危害尚未得到證實(shí)。

（2）設(shè)計(jì)軟件的問題

軟件是3D打印的重要部分，是將模型數(shù)據(jù)化的重要環(huán)節(jié)。與傳統(tǒng)混凝土施工不同的是，3D打印建筑技術(shù)需要構(gòu)建3D建筑模型，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)單位普遍使用的是CAD制圖。目前，我國還沒有專業(yè)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)與3D打印相配套，形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

（3）打印設(shè)備的問題

隨著3D打印設(shè)備制造發(fā)展迅速，3D打印技術(shù)在不斷的走向大眾，走進(jìn)各個(gè)領(lǐng)域。然而3D建筑打印設(shè)備目前十分笨重，拆卸復(fù)雜，機(jī)動(dòng)性有限，3D打印構(gòu)件生產(chǎn)只能在工廠完成，暫無現(xiàn)場(chǎng)打印案例。3D打印建筑構(gòu)件自重大，運(yùn)輸成本占據(jù)了產(chǎn)品成本很大比例。若能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)打印，可大幅度降低3D打印生產(chǎn)的成本。

（4）標(biāo)準(zhǔn)體系問題

任何一個(gè)新技術(shù)從誕生到實(shí)際應(yīng)用面向市場(chǎng)都需要標(biāo)準(zhǔn)體系的支撐。由于3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)施工工藝不同，3D打印建筑的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)也與傳統(tǒng)建筑不同，無論是3D打印建筑構(gòu)件還是整體3D打印建筑需要融入建筑市場(chǎng)體系，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和價(jià)格體系的建立勢(shì)在必行。