混凝土建筑3D打印技術工程應用分析*

段珍華，劉一村，肖建莊，丁 陶

(同濟大學土木工程學院，上海 200092)

0 引言

隨著德國2011年提出工業制造4.0概念后，我國于2015年相繼推出《中國制造2025》《國家增材制造產業發展推進計劃》等政策[1]，將3D打印發展提升到國家戰略高度。在工業4.0的背景下，建筑行業存在生產效率低下、勞動密集度高、自動化程度低、安全事故頻發等特點，工業化程度落后于整個制造業。數據顯示，整個制造行業的價值增值率為62%，而建筑行業價值增值率為10%，相差52%；資源價值浪費在制造行業是57%，而建筑行業是26%，相差31%[2]。隨著我國人口出生率下降、人口老齡化程度加深，我國勞動年齡的人口增速明顯降低，建筑業勞動力年齡結構趨于老化，我國勞動力成本上漲、勞動力資源短缺問題日益嚴峻，如表1所示[3-4]。2015—2019年我國農民工從事建筑業占比分別為21.1%，19.7%，18.9%，18.6%，18.7%[5]。

表1 近5年我國農民工年齡構成與占比

我國建筑業目前仍以傳統濕法作業建造模式為主，3D打印為建筑業實現工業化提供技術基礎，住房和城鄉建設部于2016年出臺《2016—2020年建筑業信息化發展綱要》，明確指出加快3D打印設備及材料的研究，極大推動3D打印技術在建筑工程領域的應用，有效提高建筑產業現代化的效率，將建筑工業由制造推向智造[6]。

現階段混凝土建筑3D打印還存在一系列難題：缺少明確的標準規范、質量驗收和評價體系；在打印材料、打印設備、打印工藝等方面均存在大量難點；打印各環節的研究缺少協同性，現有打印成果多為不同高校、企業的示范項目，尚未形成規模化的標準打印；有關3D打印知識產權保護、3D打印建筑成本核算等具有實際應用價值的課題鮮有研究。建筑3D打印需實現建筑產業工業化、現代化，一方面需加快對打印各環節的研發，另一方面需對建筑3D打印進行方案優選，提高打印效率，完善打印全過程設計、材料、設備、工藝各環節的配合，在此基礎上，不斷結合實踐成果，拓展對建筑3D打印經濟綜合效益的研究，推動建筑3D打印應用的發展。

通過梳理混凝土建筑3D打印現階段在工藝、材料、設備等方面的研究成果，總結存在的問題與不足，并通過混凝土建筑3D打印全流程設計，針對不同工程應用提出高效、合理的生產建造過程，推動3D打印在建筑領域智能化、工業化、可持續化中的研究與發展。

1 混凝土建筑3D打印研究現狀

1.1 3D打印工藝

混凝土建筑3D打印工藝最早由Pegna[7]于1997年提出，發展至今形成4種相對成熟的打印方法：D型工藝(D-shape)、輪廓工藝(contour crafting)、混凝土打印(concrete printing)、大型機械臂驅動的材料三維構造建造方法。

1997年，Pegna[7]提出適用于水泥材料逐層累加的自由形體構件建造方法，類似于選擇性沉積法，即先在底層鋪1層薄砂，再在上面鋪1層水泥，采用蒸汽養護使其快速固化成型；2003年，Khoshnevis[8]提出被稱作輪廓工藝的建筑3D打印技術，通過大型三維擠出裝置和帶有抹刀的噴嘴，實現混凝土分層堆積打印；2010年，Dini[9]提出使用噴擠黏結劑選擇性膠凝硬化逐層砂礫粉末實現堆積成型的方法，即D型打印，采用該工藝建造完成后的建筑體質地類似于大理石，比混凝土強度更高，且不需要內置鐵管進行加固；2007年，Bosscher等[10]改進并提出輪廓工藝-帶纜索系統，采用基于直角坐標系的輪廓工藝纜索機器人進行施工，即以鋼框架作為機械骨架，通過12條纜索控制終端噴嘴的三維運動；2011年，提出噴擠疊加混凝土的打印工藝，即混凝土打印[11-12]。

輪廓工藝的優勢在于可根據打印材料配合比控制擠出速度，同時定制化程度高、設計較自由，但打印精度依賴泥刀等后處理，打印尺寸、高度等受打印系統的限制，層間黏結力較低、對材料承載力要求較高。混凝土打印技術最大的優勢在于精度較高，但對泵送壓力、打印材料流變性能、打印時間控制要求高，需各要素緊密配合，因此打印效率相對較低，打印構件受打印機尺寸限制較大。D型打印技術的成本低、效率高、打印材料強度較高，但打印機器占地面積大、前期準備材料及清除打印剩余材料工作量較大、打印尺寸受打印設備尺寸約束。

1.2 混凝土建筑3D打印油墨材料

混凝土建筑3D打印對材料要求比傳統建造中普通混凝土更嚴格，打印材料需具有良好的強度、剛度、較好的抗裂性和塑性，需滿足可擠出性和較好流動性、可控的凝結時間、良好的堆砌性和較高的層間銜接性、高強度的材料特性[13-15]。

針對上述3D打印材料特性，國內外學者進行大量研究。Hambach等[16]研究表明打印油墨材料中增加的纖維含量超過1.5%會導致打印噴嘴處堵塞，打印材料骨料過大會堵塞打印管道及噴嘴，因此應避免使用大骨料，防止堵塞；Malaeb等[17]研究發現，聚羧酸鹽減水劑的增加會相應提高打印材料流動性，但過高的流動性會降低可建造性；藺喜強等[18]研究不同施工溫度下，調整硫鋁酸鹽水泥中促凝劑和緩凝劑的摻和比例，可將打印材料的凝結時間控制在20～60min；Le等[11]研究聚丙烯微纖維增強細骨料混凝土，該混凝土加入適量減水劑、緩凝劑及促凝劑后，流動性可維持100min，且具有良好的可建造性；陳雷等[19]發現，通過添加復合調凝劑和復合體積穩定劑制成3D打印材料，具有早期強度高、后期強度發展穩定的特點；范詩建等[15]發現磷酸鹽水泥早期強度遠高于其他類型水泥，適合快速成型，但該材料耐久性能和經濟性較差；Perrot等[20]發現打印速度降低時，構件承受的最大壓力有所提高；Le等[11]發現添加砂和聚丙烯微纖維打印出的試件28d抗壓、抗折強度均有所提高；Hambach等[16]研究表明短纖維可增強3D打印油墨材料的28d抗壓、抗折強度。

由于混凝土建筑3D打印對材料性能要求較高，不同學者研究的針對性不同，所用的設備和工藝也不同，導致試驗結果間缺乏可比性。目前，混凝土建筑3D打印材料主要通過擠壓成型、逐層疊加的方式完成建造，打印后的材料缺少傳統施工方式中的振搗環節。此外，還缺少對混凝土建筑3D打印材料長期性能的相關研究。同時，現有3D打印油墨材料并非真正的混凝土材料，隨著原材料組成和摻和料的不同，制備的材料在性能上各有差異，不能同時滿足3D打印混凝土對可擠出性和可建造性的要求。傳統工藝大多采用鋼筋混凝土結構施工建造，若單純使用油墨材料而沒有鋼筋協同工作，很難滿足打印結構的強度要求，當拉應力超過材料抗拉強度時可能出現裂縫，嚴重影響打印效果。3D打印材料的研究難以與打印工藝、打印設備相呼應，導致材料研究與實際打印脫節，各方研究難以互相借鑒。

1.3 混凝土建筑3D打印設備

3D打印設備是實現3D打印建造的重要環節，通常需連接打印機與控制系統，將3D打印建筑模型通過系統傳輸給打印機完成打印，打印機一般包括架體、打印頭、升降架、水平移動架等組成部分，現階段常見的打印設備主要是桁架式3D打印機和龍門式3D打印機[21]。

Sakdanarseth等[22]提出需考慮打印工藝的限制進行設計；Lim等[23]提出曲層打印的新路徑計算方法，更適用于大尺寸建筑構件打印，可達到更好的表面精度和強度，同時縮短打印時間；Khoshneivis[24]在噴嘴處設計刮刀，隨著打印路徑調整角度，保證打印制品外表面光滑平整；Gosselin等[25]提出可在噴嘴處加入促凝成分，控制凝結時間；覃亞偉等[26]指出，運動控制系統應根據打印路徑文件控制噴嘴沿設計的打印路徑運動并完成打印；丁烈云等[27]對3D打印水泥砂漿砌體技術進行研究，提出基于BIM建筑模型的水泥砂漿砌體自動建造裝置及工作方法；徐衛國[28]自主研發3D打印系統，該系統由數字建筑設計、打印路徑生成、操作控制系統、打印機前端、混凝土材料等創新技術集成，并打印出混凝土橋梁；于穎等[29]開發針對混凝土材料特性的混凝土3D打印系統及工藝規劃，并設計2種龍門式框架結構，通過數控系統對擠出機構進行仿真分析，對料倉、預攪拌機構及螺桿進行優化設計。

隨著尺寸的增大，打印機制造難度相應增大，打印精度和速度則會降低，目前缺少標準化的配合比設計適應具體場景下的打印工藝與設備；打印成型的建筑在美觀性方面頗受質疑，目前混凝土建筑3D打印仍是以層層堆疊為主，不可避免地在打印材料硬化后的表面上留有條形紋理，影響建筑美觀；層層打印難以保證材料硬化后各方向的受力性能。目前打印設備及建造系統的研發大部分停留于實驗室小規模階段，設備研發往往不會針對性地考慮打印材料性能，實驗室打印成果往往與實際施工工藝有較大差距，限制3D打印技術市場化的應用。

1.4 混凝土建筑3D打印實際應用

國內外近年來已有高校和企業利用混凝土3D打印技術完成建造，但大多是示范性個例，尚未形成規模化的打印建造。

北京華商陸海科技有限公司2016年在北京通州使用45d時間，通過3D打印機打印出第1個鋼筋混凝土別墅；上海盈創有限公司在2016—2018年運用輪廓技術3D打印曲線房屋、3D打印別墅、3D打印6層建筑，該公司率先提出3D打印污水井及化糞池技術，并完成打印；2016年，工程人員應用D型打印技術在西班牙阿科班達市架設世界上第1座長12m、寬1.75m的人行橋，該橋完全由混凝土制成，并采用聚丙烯熱塑性塑料進行增強[30]；荷蘭埃因霍芬理工大學于2017年10月完成3D打印橋，該橋縱向分8個節段，使用專用水泥打印機在工廠打印好，采用預應力張拉形成整體，運輸到現場進行整體吊裝；2017年10月，日本大林組建造日本首座3D打印橋梁，所用3D打印方式是主流的機械臂+混凝土的組合方式[31]；上海建工集團2018年在桃浦智創城完成3D打印橋，該橋在上海建工機施集團的數字三維建造中心采用1臺龍門架復合3D打印機器人系統進行施工，打印精度達毫米級，一次性成型只用35d；河北工業大學馬國偉團隊2019年10月在天津按照趙州橋1∶2縮尺打印，現場裝配式組裝成3D打印橋，該橋是目前世界最長跨度的裝配式混凝土3D打印橋，也是世界上單跨最長的混凝土3D打印橋梁；東南大學王香港等[32]利用建筑3D打印技術在南京江北新區短時間內建造混凝土公共衛生防控方艙；盈創公司在工廠利用3D打印技術短時間內建造多批防疫隔離屋、休息室等送至湖北、山東各地，并送至防疫現場吊裝完成投入使用，如圖1所示。

圖1 3D打印應用實例

3D打印技術在建筑領域的應用目前已由試驗層面逐漸向實際應用推動，但相關政策、規范的制定還較滯后，缺少配套投資推廣相關應用。建筑3D打印技術實現產業化發展離不開校企合作、政企合作、企業間的合作，目前已有部分合作實踐項目及戰略合作方案：2016年，遼寧格林普建筑打印材料有限公司與同濟大學、大連大學聯合發布《3D打印建筑標準》，是我國首個建筑3D打印專用企業標準；2016年，盈創公司分別與宿遷市、邯鄲市、啟東市等多地政府簽訂3D打印戰略合作協議；2019年，盈創公司與尉氏縣人民政府簽訂總投資16億元的3D打印創谷產業園項目；2020年，鄉伴文旅集團與盈創公司達成用3D打印技術構建美麗鄉村的戰略協議。但是，上述合作項目大多處于戰略合作探索階段，還未形成有影響、成規模的產業化合作，限制了建筑3D打印的發展。

1.5 混凝土建筑3D打印存在的問題

通過對前述研究和實踐分析，現階段混凝土建筑3D打印技術取得一定成果，但仍存在以下不足：①缺少針對性的工程應用研究 相關研究停留在打印材料、工藝、設備等技術領域，打印成果多是研究團隊的試點項目，缺少從實際工程應用場景出發的針對性研發，缺少打印應用的設計，很多研究停留在實驗室層面，局限性較大，研究成果落地性欠缺考證，使理論研究與市場脫軌，研究價值大打折扣。②各環節研究協同效應低 混凝土建筑3D打印的研究涉及材料、設備、軟件、力學等多領域，目前主流的研究往往在各自領域孤軍奮戰，缺少上下游不同學科間的協同配合。同時，由于缺少行業規范的指引，不同高校、企業、研究團隊間信息嚴重不對稱，3D打印的研究自成體系，限制混凝土建筑3D打印的技術整合與整體發展。③國家政策指引與扶持力度不足 目前我國還沒有形成國家層面針對混凝土建筑3D打印的行業標準與規范，使打印成果缺少驗收評判的標準，相關研究缺少指引；規范標準的缺失使3D打印技術難以吸引社會資本的投入，阻礙混凝土建筑3D打印技術的市場化。④打印材料的研究尚不能滿足實際大范圍打印需求 相比現澆混凝土，建筑3D打印對材料的要求更高，打印材料需要具有良好的剛度、強度等力學性能，同時滿足建造性、流動性的要求，目前混凝土建筑3D打印材料難以兼顧上述性能，打印強度與承載力遠不能與傳統鋼筋混凝土結構相比。因此需要提出更符合3D打印技術的工程應用場景，并對打印材料進行針對性研究。

2 混凝土建筑3D打印實際應用場景

現階段建筑3D打印的研究缺少多學科共同參與的過程，材料、工藝、設備等環節的研究缺少緊密配合，建筑3D打印施工效率高、成本低、機械化程度高的優勢未能完全體現，目前完成的3D打印建筑物也尚未實現標準化、產業化。建筑3D打印是智能建造的手段，需要土木工程、材料科學、自動控制、計算機、機械工程等多學科共同參與研發與現場施工。為體現3D打印技術在建筑領域工業化、智能化建造的優勢，應基于目前對基本材料、工藝、設備等環節的研究，融合計算機科學技術、信息化技術、數字計算技術，總結適合建筑3D打印技術的應用場景。我國建筑行業供需關系龐大，工程建設涉及開發商、設計院、施工單位、政府等多方利益，傳統施工模式下的各方合作協調模式已較成熟，建筑3D打印技術作為新的建造技術，仍處于起步階段。

建筑3D打印技術的使用最大目標并非解決技術問題，而是提高施工效率、節約工程成本、實現自由建造。由于3D打印建筑在強度、承載力方面無法與傳統鋼筋混凝土結構相比，建筑3D 打印不會完全取代傳統的施工建造技術，而是良性補充。目前在實際應用中，受國家政策、市場環境、行業現狀影響，為了發揮建筑3D打印的優勢，必須細化和優選應用，并根據不同應用場景，針對性地優選方案。

我國建筑業從設計、建造到使用驗收都必須滿足國家、行業及地方標準規范要求，設計、施工、驗收的流程必須在合規合法的框架下完成。建筑3D打印新型設計建造模式無論在國內還是國際上，都還沒形成可嚴格執行的相關行業規范，實踐中打印各方責任不清晰、缺少成熟的驗收標準。考慮到目前建筑3D打印技術尚不成熟，規范還未成型，打印的建筑物還不能達到我國規范、標準要求，因此未來短期內3D打印應避開現行規范強制滿足要求的結構或構件，轉而從城市公共設施，如公交車站、污水處理池、風景園林裝飾構件、臨時構筑物(如擋土墻)等入手(見圖2，3)。通過政府、環保部門或其他非營利組織的配合與資金投入，打印一批成本相對較低、結合當地環境和社會需要的構筑物；城市基礎設施更新、歷史古建筑修繕保護等也可利用3D打印技術，突出3D打印自由建造、因地制宜、節約成本的優勢。

圖2 3D打印污水井、車站

建筑3D打印在建造異形構件、異形建筑等特殊造型方面具有優勢，既節省傳統施工對模板的依賴，提高經濟性，也可加快建造速度、節約材料，進一步實現建筑的藝術性，具有廣闊的發展前景。3D打印對建造應急性、臨時性的建筑物具有優勢。一旦發生地震等災害，可利用3D打印技術為災民建造臨時住所，加快災后重建。我國很大一部分農村自建房屬于無設計圖紙、無施工資質、無施工監管的產品，3D打印技術可實現從設計到施工全過程采用工業化設備，有效減少項目管理人員及對建筑工人的過度依賴，在農村批量打印建造，大幅降低建造成本，提高建房效率，提升農民的住房生活品質，同時，順應逆城鎮化潮流，改變農村單一不變的建筑結構，實現個性化訂制。面對突發疫情等緊急公共衛生事件，建筑3D打印技術能提高建造效率、簡化建造工序、降低勞動人員密度，短時間內提供大量的防疫建筑，減少人員聚集(見圖4)。在面對高溫、嚴寒等特殊天氣及災后、山區、水下等施工環境，傳統施工方法受制于地形、人力、設備等，施工難度高、施工成本大、施工效率低，建筑3D打印技術可彌補傳統施工方法的缺點，實現又好又快的建造。

圖4 3D打印檢疫房、隔離屋

3 結語

目前，國內外已存在3D打印建造并投入使用的構筑物，但3D打印的建筑物很難走向市場化，最大原因在于質量。建筑3D打印在實現市場化、工業化、智能化的過程中，打印技術、行業標準、市場行為、國家政策間并非獨立，相互間存在協同效應。建筑3D打印相關設計驗收規范標準建設緩慢，導致研究成果難以大范圍應用，抑制建筑3D打印市場化進程；由于無法廣泛市場化使用，建筑3D打印技術各研究環節缺少實踐檢驗，阻礙相關規范的建設；市場化程度低、知識產權對研究成果保護不夠導致相關資金投入不足，技術研究速度變緩，難以實現突破性的研究。

了解建筑3D打印發展面臨的困境和難點，針對具體應用提出相應的方案優選，能加快建筑3D打印的市場化、工業化、智能化。由于國家政策扶持，建筑3D打印技術已經取得一定進步，獲得較高的社會關注，在此基礎上，提高研發和打印實踐的公開化程度，在政府引導下提升行業規范的建設，聯動打印設計、設備、材料相關上下游行業和社會團體，以非營利性質的公共設施、環保公益設施等為出發點，整合社會資源，由具有學科優勢的高校、實踐經驗豐富的企業牽頭，打印高質量的構筑物，提高社會責任感與公眾信任感，再結合工程經驗，推動3D打印技術的發展，使之不斷成熟，真正走向市場。

通過對建筑3D打印的梳理，總結能夠發揮建筑3D打印優勢的使用場景：①逆城鎮化下的新農村建設；②極端天氣、極端環境下的施工；③城市公共設施；④異形構件、異形建筑、曲面及大跨等傳統施工方法難以建造的現代建筑；⑤應急建筑、災后臨時構筑物等。可根據這些應用場景對建筑3D打印應用進行自上而下的研究，分析3D打印應選用的材料特性、施工工法、機械設備、軟件系統等。