混凝土3D打印技術研究與應用現狀

祝云，陳景，劉東，徐國棟

（中建西部建設西南有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

3D 打印技術有著普通施工技術不可比擬的優勢，使其得到了迅速發展。從80年代的初步了解，到90年代的熟知，3D 打印技術經歷了從天馬行空到掀起研究熱潮的歷程，目前已被廣泛應用于建筑領域、生物醫學、藝術設計、工業生產等多個領域[1-3]。被譽為“第三次工業革命重要標志”的 3D 打印技術，對現今社會產生了巨大的沖擊，是一種可以改變世界的創造性科技[4]。

混凝土作為建筑工程的核心，為人類社會做出了重大貢獻。隨著可持續發展社會的腳步，混凝土材料向著高強、超高強性能方向發展。發展更加優異性能的材料同時，也就伴隨著材料施工設備、人力等資源的消耗，這就需要為混凝土的綠色可持續發展開發出一種新的技術。

本文通過對混凝土 3D 打印的發展現狀、原理及研究應用案例進行分析認識，來總結其在建筑領域所面臨的問題，并對其發展前景進行展望。

1 混凝土 3D 打印技術

1.1 研究現狀

3D 打印技術與混凝土技術結合應用于建筑領域不僅能最大限度地縮短施工工期、降低成本、節約人力資源、減少廢棄物產生，而且能創造出更加精細化的產品，提高我國建筑領域的創新能力，推動我國經濟的發展。

3D 打印技術最早起源于19世紀末，30 多年來，通過學者們的研究，使其技術成熟，是目前全球最尖端的技術之一。1988 年，美國 3DSystems 公司發明生產了第一臺 3D 打印機，開創了 3D 打印世界。2012 年英國拉夫堡大學開發了一套適于商業用的混凝土 3D 打印技術，并與著名建筑設計公司（Foster + Partners）和施工公司（Skanska）合作，借助軟件控制，在2014年利用水泥基漿體材料成功打印出混凝土墻體和構件等[5]（見圖1）。

圖1 拉夫堡大學 3D 打印的混凝土構件

美國航天局與南加州大學合作，研發出“輪廓工藝”3D 打印技術，24h 內打印出來一棟約 2500(ft)2的空心墻壁、質量更輕、強度更高的兩層樓房（圖2）。據介紹，還節省了 45%～55% 人力，大大降低了成本，縮短了工期，豐富了建筑美感，符合全球經濟及環保效益[6-7]。2010 年，意大利 Enrico 教授發明了一種新的數字打印機，其打印材料為細骨料和膠凝材料，并在2014 年打印出高 4m，建筑質地、強度均可媲美于大理石的無需內置鋼筋的建筑物[8]。

圖2 “輪廓工藝”3D 打印的樓房

我國從90年代開始也在致力于研究 3D 打印技術，并且在生物醫學、工業等領域取得了重大突破，與國際水平相當[9-10]。3D 打印技術自問世以來，之所以得到如此快的發展，與其有著不可比擬的優勢是離不開的，不僅可以提高我國新產品的水平，促進經濟增長，而且能夠推動我國向著工業大國的發展。我們有理由相信，發展 3D 打印技術將是我國制造技術的關鍵，也將是各個產業領域及經濟組織模式的變革。

1.2 3D 打印原理

3D 打印技術又稱為增材制造技術，是快速成型技術中的一種，是通過程序控制一層一層打印堆積形成的三維結構，也即遵循加法原則。從原理上來分，一般分為兩類：一類是選擇性沉積打印，打印機噴頭擠出膠凝性或粉末性材料，再按設計軌跡逐層疊加起來（圖3）；另一類是選擇性黏合打印，通過黏合劑將材料黏成三維實體結構。

圖3 3D 打印原理圖

目前，在建筑領域通常選用第一類打印機理來實現，借助 CAD 軟件來將建筑結構數字化，可實現異地分散制造；將三維結構分解為二維，可制造出復雜的、普通施工技術無法完成的結構；采用從下而上堆積，一次性制造完成。采用這種打印機理與建筑所用材料性質是分不開的，并且此類技術工藝采用全自動、現場制造，更加快速、高效，所耗費的成本低，經過精確計算所需用的數量，可以避免材料浪費，貫徹落實十三五規劃綠色發展理念，改善生態環境質量，實現建筑行業的可持續發展。發展混凝土 3D 打印技術，是《國家增材制造發展推進計劃》及《中國制造 2025》中的重要組成部分，尤其在我國大力發展建筑業期間，發展混凝土3D 打印技術就是推進我國 3D 打印產業的主要動力。

1.3 存在的問題

1.3.1 混凝土材料

3D 打印技術在建筑業的發展相對比較緩慢，其至關重要的原因就在于材料問題。3D 打印對混凝土材料要求較高，具體為：（1）凝結時間足夠短，混凝土從打印噴頭出來要迅速初凝，以保證混凝土在往上堆積過程中不產生變形、倒塌；（2）流動性好，以確保在管道輸送過程中不會產生堵管現象；（3）強度高，混凝土強度必須滿足國家標準，能夠承受自重及動負荷；（4）粘度高，打印過程中層與層之前要有足夠的黏度來黏合，以確保層間所需作用力；（5）可塑性好，打印過程中結構并無支撐，良好的可塑性保證成型制造過程正常進行。

李旋[11]通過正交試驗來研究混凝土的最佳配合比，并以跳桌試驗和 P—S 曲線等來描繪、表征材料的流動性指標及塑性承載力和其他性能指標。對于 3D 打印材料的問題，還需進行更多研究；對于不同地方，環境不同，所用原材料性質不同，還需進行更多嘗試。

1.3.2 相關配套

建筑物達面積相對較大，形狀各異，這就對 3D 打印相關配套提出了更多要求。打印機整體要性能優異、出料嘴及噴嘴要精度準確，根據構件不同要適當調整，且集料與噴嘴要保證匹配。

軟件是 3D 打印的核心，由三部分構成，分別是：建模、切片、三維行程控制軟件。建模軟件以 CAD、3Dmax 等支持 STL 格式的軟件為多；切片軟件的主要任務是轉碼，即將 STL 格式轉換成 G 代碼；三維行程控制軟件則負責讀取并完成打印，也是其中最重要的一步。

1.3.3 打印技術

我國 3D 打印技術發展與國際相比表面上無太大差異，實則差距明顯，主要是質量控制上存在瓶頸。表現為材料自身性能較差，拌出的混凝土性能不理想，導致強度不合格，存在一定安全隱患。

建筑物打印尺寸、精度、效率、穩定性方面還不盡人意。打印速度過快，容易出現變形；過慢，影響粘結強度，穩定性得不到保證，在建筑物的精度和打印速度之間存在嚴重沖突。

打印工藝的設計影響混凝土的供應，中期磨平影響構件的美感，后期維護影響打印質量。

2 工程應用

2.1 上海青浦園區打印屋

全球首批 3D 打印實用建筑房屋是上海盈創公司自主研發的 6.6m×10m×150m 的 3D 打印設備，并在 24h內以建筑垃圾、高標號水泥和玻璃纖維為原料所打印出來的十幢有著紋理的完整的房子[12-13]。經過測試發現，此建筑比傳統建筑強度更高、質量更輕；通過填充保溫材料使得墻體成為自保溫墻體；通過在打印過程中程序設置給房屋的梁和柱預留空間，解決墻體結構的承重問題；根據需要，任意改變房屋形狀，滿足設計者創意，并且可在高層建筑中使用，設計圖如圖4。此次 3D 打印建造中對建筑垃圾進行再利用，實現了將建筑垃圾變廢為寶，保護環境；顯著縮短了工期；房屋平均造價僅為 2～3 萬元，降低了大約一半成本；3D 打印技術的使用，同樣降低了建筑能耗。

圖5 為上海青浦園區打印屋效果圖和實景圖。

圖4 3D 打印100米下及100米上建筑

圖5 上海青浦園區打印屋

2.2 混凝土城堡

美國工程師 Andrey Rudenko 利用 3D 打印技術完成了三維混凝土城堡的制造，城堡的墻體與塔頂先分別制造，再組合拼接完成。此城堡大小與現實建筑物無異，共有大小三個堡壘，其中較小堡壘頂是由一個人字形塔尖所構成（圖6）。Andrey 本人還說道：3D 打印技術已經成熟，可以打造出無限量的古典裝飾，建筑設計師可以將設計理念、復雜工藝、施工工藝運用到工程項目中，這也必將是未來建筑設計的發展方向。

圖6 混凝土城堡

2.3 未來辦公室——世界首個 3D 打印辦公樓

2016 年5月世界首個占地面積約 250m2的 3D 打印辦公樓在迪拜落地（圖7），這座未來辦公室是用長達37m、高約 6m、寬約 12m 的 3D 打印機，特種水泥混合物為材料，先在上海層層打印出混凝土構件，再運到迪拜安裝完成[14-16]。整個建筑實用性已在中國、英國相繼完成，各種性能均符合建筑要求。室內設計風格（大部分家具也是由 3D 打印）是依附于 Bene 的理想實驗室概念，給人以小巧、現代的美感，僅用17天就完成了整棟樓的建造。打印工程無需現場施工，節約建筑成本約 80%，降低勞動力成本約 60%，大大降低了建筑材料浪費，約 60%。并且，迪拜方面還聲明，3D 打印技術將是建筑設計的主要創造力，此座辦公樓是由七國聯盟攜手打造出來的擁有尖端技術的新型建筑，這只是一個開端，未來世界將會因 3D 打印技術而改變。

圖7 未來辦公室

2.4 可移動混凝土 3D 打印機

瑞典 Lund 大學教授 Olaf 的增材制造團隊研發出了一臺使用機器人臂改裝的，采用鋁質材料制造并可去除底部裝置的可移動混凝土 3D 打印機。同時，為了降低成本，設計打印機采用直徑為 100mm 的孔鏜削螺旋鉆來輸送混凝土[17]。

打印機在打印過程中將打印頭轉換為 Rapid 代碼路徑，依靠 Matlab 軟件結合另一種算法來保證混凝土的連續輸出質量及它的機械性能。理想狀態下，這臺打印機能夠進入指定位置，鎖定對象，完成之后移動到下一個目標位置，方便工程實施。一方面，因打印機隨時移動，與普通打印機相比噴頭裝置無需大面積升降、旋轉，降低裝置損壞率，減少維修費用；另一方面，可以加快施工速度，避免因工程面積大導致所需用大型號打印機，同時型號變大不僅增加了制造費用，而且混凝土輸送距離變遠，打印速度隨之降低。可見開發并優化可移動式混凝土 3D 打印機對降低成本是多么重要，是3D 打印技術的發展的進步，也是建筑業發展的必須，環境的保障，人類的福利。可移動混凝土打印機見圖8。

混凝土打印噴頭設計：1. PVC 管道 Y 管；2. PVC 管帽；3. 3D 打印噴嘴座；4. 可替換噴嘴；5. 刮水電機；6. 100m 柱塞鏜孔螺旋鉆；7. PVC 管帽；8. 電動機聯軸節；9. 印刷頭安裝支架；10. 電機安裝板

圖8 可移動混凝土 3D 打印機

2.5 荷蘭風情運河屋

荷蘭風情運河屋（圖9）是由 DUS 建筑事務所設計，采用約 3.5m 高的特大型 3D 打印機 KamerMaker逐層打印，再以樂高積木方式堆積而成，共有13個房間[18-19]。整個建造過程采用透明式，即：參觀者根據自己的興趣參與整個建造過程，體驗 3D 打印技術的震撼。

圖9 荷蘭風情運河屋

3 前景展望

隨著建筑業的智能化、自動化、高度集成化，和材料、信息、控制技術的不斷優化及資源最大利用化，混凝土 3D 打印技術將推動建筑工業化的實現，未來發展平臺將更加廣闊。為了改善環境，使世界萬物生存和諧，走可持續發展道路，3D 打印技術務必要引起重視。如今，混凝土 3D 打印技術還處于研究發展階段，在原材料的選擇、破碎工藝、配合比設計方面可以建立新的設計理念，改善混凝土材料性能；軟件控制方面，要進一步提高、優化其便捷化和智能化程度；質量控制方面，要著重、加強研究打印速度、精度和穩定性，保證三者之間表現為協調和促進關系，確保建筑質量、消除安全隱患、延長建筑服役壽命等。

《國家增材制造（3D 打印技術）發展推進計劃》及《中國制造 2025》中明確指出，我國急需發展增材制造技術這一同類先進技術來加快我國經濟發展方式的轉變。當前，應該把握好機遇，整合行業資源，實現混凝土 3D 打印技術的跨越式發展。盡管還有得時日，但是該技術的應用普及推廣是注定的，3D 打印建筑必將是行業內的新標桿。