3D打印技術及其在建筑領域的應用

唐 標 中國水利水電第八工程局有限公司

1 前言

近年來，3D打印技術憑借其快速、綠色、環保、節能、節材、節約勞動力、高精度及自由度大等優點，受到制造業和工程行業高度重視。3D打印技術可根據設定的程序命令直接打印出實體建筑物或建筑構件，具有建造速度快、無需模板支撐、可個性化定制、降低材料損耗和建造成本的特點，給建筑和土木工程領域注入了新活力，成為該領域研究熱點之一。

2 3D打印技術發展背景

目前，我國建筑業主要采用現場施工方式，即搭設腳手架、支設模板、綁扎鋼筋和混凝土澆筑等，大部分工作是在施工現場由人工來完成，勞動強度大、建筑材料消耗量大、現場產生的建筑垃圾較多，同時對周圍環境有較大的影響，如揚塵、噪聲等，且勞動力成本不斷上漲，施工成本日益增加，因此建筑施工機械化、自動化成為趨勢。

3D打印建筑技術是近年來興起的一項新型智能化建造技術，其是將打印構件或建筑物模型利用切片軟件進行3D、2D模型的分層處理，生成打印路由程序，然后將配置好的新型混凝土材料利用泵送系統輸送到打印頭，按照打印程序，通過控制系統，控制執行機構帶動打印頭按照打印路由行走，打印出精確的幾何圖形，通過層層疊加完成混凝土構件或建筑物的成型。混凝土構件建模打印基本工作流程如圖1所示。

圖1 混凝土構件建模打印基本工作流程

建筑3D打印技術為建筑行業的發展與變革帶來了新思路、新格局，在解決困擾傳統建筑施工的環境污染、資源浪費、人力資源短缺等問題上具有強大的應用潛力。3D打印建筑技術在如今建筑業的轉型期和“新基建”戰略發展期，將助力建筑業“數字經濟”轉型和升級。住房和城鄉建設部頒發的《2016—2020年建筑業信息化發展綱要》中講到“積極開展建筑業3D打印設備及材料研究；探索3D打印建筑技術運用于建筑模塊、構件生產，開展示范應用”，建筑3D打印技術在建筑業的應用，具有改變建筑行業發展業態的潛力。

3 3D打印技術在建筑領域的應用優勢

建筑3D打印技術作為一種新的建造技術，理論與實踐工作者已開展諸多研究，其主要應用優點可歸納如下。

（1）推動建筑工業化：3D打印在建筑領域的應用，能夠推動建筑業變革和創新發展。建筑3D打印技術能夠減少建筑垃圾，也能通過工廠進行構、部件的批量化生產，在一定程度上推動建筑工業化的進程。

（2）促進人工智能化：自適應自協調的群體機器人智能化打印是建筑3D打印技術研究的方向之一。目前，BIM與3D打印建筑技術結合已應用于建筑裝飾工程，在三維建模中展現復雜構件與多曲面構造設計方案的效果，并通過3D打印出實體構件模型，直觀、快速地表達設計方案。

（3）實現建筑數字化：建筑學科的發展離不開建筑技術創新，創新需要人才，相關研究關注了人才培養，同時建筑3D打印技術寄托了建筑人士將其作為建筑數字化發展的期待。

（4）推動可持續發展：建筑3D打印技術有著節能環保的優點，體現在能很大程度上利用并減少建筑垃圾、減少施工浪費與節約建筑材料上。目前隨著科技的發展與進步，圍繞BIM技術、3D打印技術以及裝配式建筑技術融合創新進行研究，可建筑業朝著高效、綠色和安全的方向發展。

4 3D打印技術在建筑工程中的應用案例分析

4.1 工程概況

本項目為某產業園傳達室，建造方式采用3D混凝土打印。此傳達室主要功能為看門、登記、引導來賓等，設計場地尺寸為5.4m×8.6m，建筑面積在10m2～15m2左右，建筑高度控制在3m～3.6m內。對于建筑造型的設計，要基于3D混凝土打印的特性，并最終體現出3D混凝土打印較于傳統混凝土建造方式的優勢。

4.2 設計思路

基于3D混凝土打印特性分析和造型生成研究，利用其打印優勢，設計一個自由曲面建筑。考慮到傳達室本身的設計要求，把南北兩面的墻體和屋頂設計為一體化的曲面形體，直接打印拼裝形成建筑主體，東西兩面設為虛的面，形成虛實結合的建筑形體。在平面布局上，將出入口設置在東面，考慮到造型和結構上的需求，保留南面墻體的整體性，把接待窗口布置在西面。

此設計主要通過曲線放樣成面和曲面切割形體來實現，將設置好的曲線放樣生成曲面，并偏移得到墻厚200mm的形體，使用與其近似相切的曲面切割形體得到傳達室主體部分，同時將建筑西立面和形體生成中得到的切割面設置為玻璃面，得到傳達室最終造型形式。

整個建筑形體尺寸約為4500mm×3500mm×3200mm，為配合形體造型，東立面選用曲面玻璃和普通玻璃兩種，其中門的開啟處用普通玻璃，同時，玻璃與墻體交接邊界使用曲線元素來完成整個自由曲面形體的造型設計。

考慮到本設計的形式采用了屋頂和墻體一體化，并將其作為承重結構，因此利用ANSYS有限元分析軟件對建筑主體結構進行強度分析。采用solid65實體單元將待分析模型劃分好網格，在模型底部施加固定約束，同時對模型添加垂直向下的重力，求解分析結果顯示最大應力為3.04MPa，遠小于混凝土材料的強度極限，由此可看出該建筑主體結構強度足夠承重，符合要求。

4.3 打印參數

此傳達室項目選用3D混凝土打印為建造方式，由于合作單位的打印機可打印物品最大尺寸為2900mm×2900mm×1500mm和2800mm×2200mm×1800mm兩種，因此，需要將建筑主體切分成模塊進行打印。基于可打印尺寸的限制，將打印主體分割為平均尺寸為2000mm×200mm×1500mm的12個模塊，并將其按位置進行編號。

基于3D打印要求，構件能打印最基本的條件是要至少保證有一個平面來作為打印時的基底面，所以將拆分的打印模塊翻轉方向來進行打印。而對構件打印可行性有影響的主要為構件的單層最大偏移量等因素，因此，對每一個打印模塊的單層最大偏移量利用Grasshopper和Rhino平臺進行計算，并結合打印試驗結果對其進行預判斷，預估其能否成功打印。每個模塊的計算結果顯示，單層最大偏移量一般在2mm左右，偏移最大也小于3.5mm，而在3D混凝土打印試驗的結果表明，構件可偏移量在4.5mm左右，因此所有模塊都是在可打印范圍內的。

4.4 施工建造

項目建造時，主要步驟如下：設計圖紙→結構體打印配橫向筋→構造柱置筋→現場構件裝配→完成主體裝配→現澆構造柱→做屋頂防水→裝門窗交付。

項目主要涉及節點構造位置有打印構件間的連接、墻體與地板的連接和門窗與墻體的連接三種。兩個構件連接時，在豎向連接時主要用砂漿拼接在一起，而在橫向連接時，構件打印時在端部流出凹槽，通過在凹槽處現澆混凝土利用類似榫卯的節點連接在一起，并在構件間添加橫向鋼筋提高其強度。對于墻體與地板的連接，其原理類似于構件間的節點，采用預留空間和鋼筋的方式通過現澆混凝土連接。在門窗與墻體連接時，打印時預留出門窗孔洞，然后通過螺栓、自攻釘等將門窗框與主體結構連接在一起，最后再安裝玻璃。

為了使此項目更具特色，將與傳達室連接的圍墻部分設計為基于正弦曲面的3D混凝土打印模塊堆砌的參數化墻體，基本砌塊尺寸為300mm×300mm×300mm，添加隨機變量之后每個砌塊都不一樣，既能體現出3D混凝土打印的個性化建造同時也能呈現出其能打印任何幾何形狀的能力。每個砌塊單獨打印，其最大偏移量在9.1mm左右，雖然偏移量較大，但是由于砌塊本身尺寸很小，上層對下層的即時承重能力要求較小，且不連續偏移時單層可最大偏移量在10mm左右，因此，這些砌塊還是在可打印的范圍內的。砌塊打印完成后，運輸到現場通過砂漿對其組裝成整體即可。

5 3D打印技術在建筑領域的應用難點與研究方向

建筑3D打印作為一種新技術，在材料性能要求、設備性能與材料匹配性等方面有眾多問題有待解決，如何在保證混凝土材料的流變性和可塑性的前提下，將其快速、均勻的攪拌、泵送、擠出，并打印成型，同時滿足建筑物各方面性能要求，是目前需要解決的主要問題。

5.1 應用難點

建筑3D打印技術的應用難點主要體現在以下幾個方面。

（1）目前水泥砂漿是建筑3D打印的主流選擇，具有顆粒度大、流動性差等特點，對其進行在線測量流量、流速、自動控制調節閥門等精細化控制較難實施。

（2）建筑3D打印材料易凝固堵料，導致供料系統易故障，長時間連續供料較難。

（3）現有建筑3D設備自動化、智能化程度較低，目前打印過程中人工輔助工作量仍需進一步減少，降低人力、物力的耗費。

（4）現有設備使用限制性較大，設備尺寸限制打印構件尺寸、打印對象限制設備形式、打印材料限制設備選型等。

（5）現有打印材料的泵送裝置、擠出裝置及打印工藝后期清洗技術尚未成熟，若未能高效地清洗干凈打印頭噴嘴內部而導致部分打印物料殘留淤積，輕則影響后續打印過程中的成型質量，重則直接導致裝置堵塞及損壞。

（6）3D打印建筑尚無統一的標準規范，導致技術應用推廣受限，多以示范工程為主，尚未作為正式的施工技術進入建筑市場。

5.2 研究方向

5.2.1 打印材料方面

材料技術是建筑3D打印最重要的技術之一。研究材料性能以及某種材料的工藝方法，是建筑3D打印的關鍵和根本。并且材料學與3D打印技術相互促進、相輔相成。一方面，材料性能關系到建筑質量和安全，從材料性能入手研究打印材料、構件、結構等的力學性能，能保證建筑物的安全性并形成相應的標準體系；另一方面，對于低成本打印材料的研究，也是材料研究的一個方向。建筑3D打印推廣遇到的問題之一就是成本，研究低成本材料，讓變“廢”為“寶”成為現實，符合可持續發展的要求。

5.2.2 打印設備方面

原位打印是建筑3D打印施工工藝追求的目標，因此，支持原位打印的通用設備原位打印機的研究是未來研究的一個方向。異型建筑，古建筑的修復，個性化以及美觀等都要求打印設備的靈活性和便捷性。建筑3D打印機是3D打印機在建筑領域的一個應用和延伸，但由于建筑業本身帶有的行業特色，對3D打印機的要求比打印其他物件更高。因此，開發專業新型的3D建筑打印機以及相應的軟件體系，打造滿足不同類型建筑建造需求的設備體系，就顯得尤為重要。打印建筑需要的材料不僅要有較好的打印性能，如流動性，同時要滿足建筑需要的抗拉、抗彎和抗裂等性能。因此需要研究建筑打印材料，使其多樣化、系統化，更好地滿足實際建筑項目的需要。3D建筑打印機、打印材料與3D打印技術互相促進、相輔相成。打印設備、材料的研究是3D打印技術研究和發展的關鍵，同時3D打印技術的發展又對打印設備和材料的研究產生重要影響。

5.2.3 專業人才培養

3D打印技術在建筑領域的應用，雖然受到國家政策的大力支持，但大眾對其安全性的接受和認可還有待提高。建筑3D打印涉及到材料、設備、設計等眾多參與方，都需要專業化的人才，加之3D打印建筑技術還未完全成熟，許多新興領域研究力度不夠，難以獨成體系，例如非金屬材料、物聯網等，因此需要專業人才的培養。

6 結束語

綜上所述，3D打印技術在建筑領域中的應用，本質是一種數字化、自動化建造技術的初步應用。由于3D打印技術仍處于初級探索階段，其對于建筑材料的要求比較高，而且不能對打印過程進行更改，因此，現有3D打印技術并不能完全應用到建筑施工之中。隨著進一步地深入研發，建筑混凝土3D打印將全面改變建筑施工模式，進一步推動綠色建造、智能建造的步伐。