建筑3D打印技術及材料的研究進展

李小龍 王棟民

（中國礦業大學（北京）化學與環境工程學院，北京 100083）

0 前言

信息化和數字化是現代社會各行業發展的必然趨勢，世界正面臨史上的“第三次工業革命”浪潮[1-2]。增材制造技術作為數字化技術中的新興技術，又稱為3D打印技術。3D打印的思想起源于19世紀末的美國，并在20世紀80年代得以發展推廣。由于打印速度快、成本低，且能打印復雜形狀的模具、零件等技術優點[3-4]，3D打印在航天航空、生物醫療、珠寶制作、食品以及模具制造等諸多領域得到了廣泛應用[5-6]。相比于上述各領域，3D打印技術在建筑行業發展相對緩慢，建筑業在3D打印技術中占比較小，限制其在建筑業發展的一個重要因素就是材料，傳統的水泥與混凝土難以滿足3D打印技術在建筑中的應用要求，亟待研究開發具備良好可擠出性和可建造性、凝結速度適宜的水泥基3D打印材料[7]。相對于傳統建造技術（圖1），建筑3D打印技術不僅可以縮短建筑時間，還可以降低建筑成本，節約勞動力，提高建筑安全保障[8-9]。

圖1 新建混凝土建筑的典型支出分布[13]Fig.1 Expenditure distribution for new concrete buildings

建筑3D打印技術是以數字模型為基礎，采用以膠凝材料、骨料、摻合料、外加劑、特種纖維等材料為主制成的特殊“油墨”，利用計算機制圖將建筑模型轉換為三維設計圖，通過分層加工、疊加成型的方式逐層增加材料將建筑物打印建造出來的技術[6,10]，其本質是綜合利用管理、材料、計算機與機械等技術的特定組合完成工程建造的技術[11]。建筑3D打印技術示意圖和打印機械如圖2所示，基本原理如圖3所示[12]。

圖2 建筑3D打印技術示意圖（a）和打印設備（b）Fig.2 Architectural 3D printing technology diagram (a)and printing equipment (b)

圖3 3D打印建造的基本原理Fig.3 Basic principles of 3D printing construction

1 3D打印產業的發展狀況

3D打印的思想起源于19 世紀末的美國，但美國在2009年之后才開始3D打印技術的發展。美國材料實驗協會（American Society of Testing Materials,ASTM）于2009年成立了專門的3D打印技術委員會F42，推動3D打印相關標準的建立和3D打印技術在各領域的快速發展。國際標準化組織（ISO）也成立了3D打印委員會TC216，聯合ASTM共同開展3D打印標準的制定工作[14]。目前，兩大機構在術語、工藝、材料、測試方法、設計和數據格式等六個方面達成了初步的標準工作框架。2012年8月，美國為改變制造業現狀，加大了對關鍵通用技術和先進制造技術的支持，并建立全球首個“國家增材制造創新中心（National Additive Manufacturing Innovation Institute,NAMII）”[15]。美國率先在國家層面建立了3D打印的戰略規劃，成為全球3D打印技術的推動者。NAMII自成立以來積極開展資源整合工作，并于2013年10月更名為“美國制造（American Makes）”，到2015年3月已成為具有130多家成員單位的覆蓋美國主要地區的公-私合作聯盟。此后，3D打印技術在日本、英國、德國、瑞士、澳大利亞等發達國家掀起研究、推廣的浪潮。

我國3D打印產業的發展和政策規劃起步較晚，根據國內的發展情況出臺了系列相關政策，支持3D打印技術的發展[2]。2013年4月，3D打印技術首次入選《國家高技術研究發展計劃（863）計劃》和《國家科技支撐計劃制造領域2014年度備選項目征集指南》，從此被提上了以科技推動制造業轉型的日程。北京市科委于2014年3月發布了《促 進北京市增材制造（3D打印）科技創新與產業培育的工作意見》，表明3D打印技術的發展正逐漸被提升到地方政府的戰略規劃中。2015年2月，我國出臺了《國家增材制造產業發展推進計劃（2015-2016）》，將3D打印技術進一步提升到國家戰略層面，形成全方位的產業戰略規劃，推動3D打印產業的良性發展[16-17]。2016年8月，住房和城鄉建設部專門針對建筑業下發了《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》，對3D打印技術提出了新的指示：積極開展建筑業3D打印設備及材料的研究，結合BIM技術應用，探索3D打印技術運用于建筑部品構件生產，開展示范性應用。

2 建筑3D打印技術的研究進展

建筑3D打印技術起源于1997年美國學者Joseph Pegna提出的一種適用于水泥材料逐層累積并選擇性凝固的自由形態構件的 建造方法[18]。建筑3D打印技術作為新型數字建造技術，相比于傳統的建筑施工工藝，具有以下諸多優點[19-20]：

1）通過恒定的施工速率來減少現場施工時間，提高施工效率；2）無需模板，可減少模板的浪費從而減少施工成本；3）不使用模板使得建筑的可定制性強，實 現更復雜的設計和審美目的；4）創造基于高端技術的工作崗位；5）根據計算機設計圖，全程由電腦程序操控，節省人力，也使傷亡事故風險大幅減少；6）可降低建筑粉塵及噪音污染，保護環境，實現綠色環保。

2001年，美國南加州大學（University of Southern California）的Behrokh Khoshnevis提出了一種稱為“輪廓工藝”(Contour Crafting,CC)的建筑3D打印技術[21]，通過混合料分層堆積成型實現建造。目前，該團隊在美國宇航局的支持下，研究利用月壤材料并 采用輪廓工藝在月球上建造太空基地的相關技術[22]。此后，美國俄亥俄大學（Ohio University）的Paul等[23]改進了輪廓工藝，并提出了輪廓工藝-帶纜索系 統（CC-cable-suspended）。

瑞士蘇黎世聯邦理工學院（Federal Institute of Technology,Switzerland）的Fabio和Matthias等從2006年開始進行了由大型機械臂主導的數字建造研究，其中較為獨特和典型的建筑3D打印技術即為磚塊堆疊技術，以磚塊作為材料單元，環氧樹脂作為粘結劑粘結補強[24]。

英國Monolite公司的意大利工程師Enrico Dini在2007年提出了一種通過噴擠粘結劑來選擇性膠凝硬化砂礫粉末實現逐層堆積成型的方法，即D-Shape工藝（如圖4所示）[21]，圖5為其機械裝置。該團隊已于2009年成功打印了高1.6m的雕塑，并針對D-Shape技術采用月壤建造月球基地進行了研究[25]。

圖4 D型工藝流程Fig.4 D-shape process

圖5 D型機械裝置Fig.5 D-Shape mechanical device

2008年，英國拉夫堡大學（Loughborough University）創新和建筑研究中心Lim等[21]提出來了被稱為“混凝土打印”的建筑3D打印技術，該技術也是基于混凝土噴擠堆積成型的工藝[26]。該團隊研發出了適合3D打印的聚丙烯纖維混凝土，并于2009年成功打印出尺寸2m×0.9m×0.8m混凝土靠背椅，并對其原位剝離進行了立方體抗壓等性能測試[13,27]。

3 建筑3D打印材料的研究進展

3.1 國外研究進展

國外建筑3D打印材料的研發早于國內。從2012年開始，瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Michael等[28]采用砂石粉末為原材料，經過數字算法建模、分塊三維打印、堆砌組裝等過程完成了一個3.2m高的Grotesque構筑物的3D打印建筑，被稱作數字異形體，如圖6所示。

圖6 數字異形體Fig.6 Digital alien

此后，Le等[13]研究了一種用于建筑3D打印的高性能纖維增強混凝土，該混凝土設計成通過噴嘴擠出以構建逐層結構部件，并研究了該新拌漿體的可擠出性和可建造性，發現其與工作性和凝結時間相互關聯，這些性能受配合比和超塑化劑、緩凝劑、促凝劑和聚丙烯纖維的顯著影響。Perrot等[29]針對水泥基建筑3D打印材料提出了一個理論框架用于水泥基材料的結構構建和3D打印引起的載荷，之后在硬化漿體上進行了試驗，發現在3D打印擠出過程中必須考慮結構累積，以便找到最快的可接受的建造速率。Ming Xia等[30]為了滿足建筑3D打印機的要求，提出了一種創新方法來配制基于地質聚合物的建筑3D打印材料，使用不同的關鍵參數，例如粒度分布、粉末床表面質量、粉末真/堆積密度、粉末床孔隙率和粘合劑液滴滲透行為來定量評價制備的地質聚合物的可打印性。

在建筑3D打印材料中，打印建筑構件需要使用合適凝結時間的砂漿。Noura Khalil等[31]采用兩種水泥，普通硅酸鹽水泥（OPC）和硫鋁酸鹽水泥（SAC）制成的混合物來控制和調節砂漿的凝結時間和可打印性，開發出由7% SAC和93% OPC制成的可打印材料。Manuel Hambach等[32]介紹了波特蘭水泥和增強短纖維（碳纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維，3～6mm）的建筑3D打印復合材料，制備出具有高抗彎性（最高為30MPa）和抗壓強度（最高為80MPa）的新型打印材料。Mechtcherine等[33]研究了一種基于建筑3D打印技術制作鋼筋混凝土（RC）的新方法，該方法將RC構件分成單獨打印的不同混凝土段，然后與鋼筋系統一起組成獨特的構件。

3.2 國內研究進展

2014年，清華大學土木工程學院安全與耐久實驗室的馮鵬等[34]采購美國Z Corporation公司生產的3D打印機（型號為Spectrum Z510），以石膏硬化體為例，研究工程結構中可能采用的粉末和液體混合膠凝體系的3D打印結構的細觀特征和力學性能，通過打印的立方體抗壓、棱柱體抗折等試驗獲得了力學性能參數，并提出相應的應力應變關系模型。

同年，上海交通大學土木工程系的范詩建等[35]對建筑3D打印材料進行了相關研究，根據磷酸鹽水泥具有快硬、早強、粘結強度高和良好生物相容性等特點，將堿性氧化物和磷酸鹽以及添加劑等按比例配合后研磨成一定細度的固體粉末，配成磷酸鹽水泥，通過外加劑調節凝結時間在1～15min，1h抗壓強度達到45～65MPa，抗折強度達5.5～10.5MPa，并將其用于建筑3D打印。

藺喜強等[36]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制備了可用于建筑3D打印的混凝土材料，其初凝時間為20～50min，終凝時間為30～60min，可靈活控制，2h抗壓強度10～20MPa，28d抗壓強度50～60MPa，滿足建筑3D打印的連續性和強度要求。任常在等[37]為了解決建筑3D打印材料的性能、成本及技術應用等問題，通過工業固體廢棄物為原料制備了硫鋁酸鹽膠凝基質材料，配以促凝劑、緩凝劑等形成建筑3D打印粉體，其凝結時間可控制在10～30min，2h抗壓強度達到15～20MPa。

張大旺等[38-39]研究了堿金屬激發劑的Si/Na比對3D打印地質聚合物漿體的粘度、屈服應力和發展速率及結構重建速率的影響，同時也研究了鋼渣摻量對3D打印地質聚合物材料新拌漿體流變性的影響[40]。

張宇等[41]設計了一種新型的建筑3D打印混凝土，通過納米粘土（NC）和硅灰（SF）對水泥漿體進行改性，使水泥漿體在輸送過程中具有良好的流動性，在靜置狀態下具有滿意的形狀保持性，并系統研究了該新拌3D打印混凝土的可建造性、流變性（粘度、屈服應力和觸變性）、和易性、初始強度、開放時間和水化熱，結果表明，少量NC和SF使混凝土的可建造性分別提高150%和117%，顯著提升了混凝土的觸變性和初始強度。

4 國內外建筑3D打印的應用

目前，國內外的3D打印構件及建筑大多基于“輪廓工藝”技術，以下是世界各國比較典型的建筑3D打印的應用案例。

4.1 國外應用案例

美國明尼蘇達州的工程師Andrey Rudenko團隊采用單頭打印機器，利用輪廓工藝打印完成了占地約3m×5m的中世紀城堡（圖7），該城堡采用非 整體現場打印工藝，部分構件打印完成后在現場進行吊裝[42]。

圖7 建筑3D打印的中世紀城堡Fig.7 3D printed medieval castle

菲律賓的Lewis Yakichl借助3D打印機利用輪廓工藝用時100 小時打印出了占地面積10.5m×12.5m×3m的別墅式酒店，該別墅式酒店有兩間臥室、一間客廳及一間帶按摩浴缸的房間，如圖8所示[43]。

圖8 3D打印酒店Fig.8 3D printed hotels

2018年3月，美國德克薩斯州一家創業公司ICON在西南偏南大會（SXSW）上公布，其利用3D打印技術，以水泥砂漿為材料，打印了一棟6 0.4m2的房屋（圖9），且造價僅為1萬美元，約合6.3萬人民幣。

圖9 ICON公司打印的房屋Fig.9 Printed house of ICON

同年3月，歐盟的兩家公司Arup和CLS Architetti合作建造了一座命名為“3D Housing 05”的3D打印房屋，在米蘭的中央廣場Piazza Cesare Beccaria打印了原型房屋，并亮相于Salone del Mobile設計展，如圖10所示[42]。

圖10 3D Housing 05Fig.10 3D Housing 05

4.2 國內應用案例

盈創建筑科技（上海）有限公司采用3D打印技術，以砂漿為打印材料，率先于2014年4月在上海張江高新青浦園區內打印了10幢建筑。2015年5月打印了一棟5層樓的樓房和一套1100m2的精致別墅。2016年7月在迪拜用時19天打印出全球首個3D打印辦公室，占地面積約為250m2[44]。

2016年6月，北京華商騰達工貿有限公司使用強度等級30MPa低坍落度混凝土，采用類似滑模工藝加逐層堆積的3D打印方法，耗時45天建造了一棟高6m、占地400m2的別墅[45]。該公司使用兩個打印頭騎跨的形式，不僅解決了打印過程中縱向鋼筋的布置問題，還提高了建筑的抗震性，為建筑3D打印工藝中的布筋提供了思路，如圖11所示。

圖11 北京華商騰達打印的別墅Fig.11 Printed villa of Beijing Huashang Tenda

2019年10月，由河北工業大學馬國偉團隊采用裝配式混凝土3D打印技術，按照1:2縮尺寸建造的跨度18.04m、總長28.1m的趙州橋落成于河北工業大學北辰校區，如圖12所示[46]。該團隊借鑒已建成3D打印建筑的建造經驗，采用模塊化打印技術，并對節點裝配形式進行優化設計，在現場直接進行裝配式建造。

圖12 3D打印趙州橋Fig.12 3D pr inted Zhaozhou Bridge

2019年11月，清華大學建筑學院與上海智慧灣科創園合作采用3D打印技術完成了一條長14.1m、寬4m的3D打印混凝土橋梁，如圖13所示。

圖13 3D打印混凝土橋Fig.13 3D printed concrete bridge

同年11月，由中國建筑技術中心和中建二局華南公司聯合打印的世界首例原位3D打印雙層示范建筑在龍川產業園完成主體打印，該建筑是高7.2米、面積230m2的雙層辦公室，打印完成凈用時不到60小時，如圖14所示[47]。

圖14 3D打印兩層辦公室Fig.14 3D printed two-story offi ce

5 存在的問題及展望

進入21世紀以來，國內外大量科研院所和企業對3D打印技術進行了一系列研究，3D打印技術得到飛速發展。限制建筑3D打印技術發展的一個重要因素就是材料，建筑3D打印材料研究主要存在以下問題：

1）現有標準配制的水泥基建筑材料在工作性、粘結性等方面無法滿足建筑3D打印材料的要求；

2）建筑3D打印材料的配合比不同于普通建筑材料，材料的孔結構及微觀形貌等都發生了變化，進而影響材料的抗滲性、抗凍性和抗侵蝕性，需要進行系統的研究；

3）由于建筑3D打印是基于逐層打印的方式，因此材料既要滿足下層已打印材料的支撐強度，又要避免層間粘結力不足的問題；

4）建筑3D打印材料既要保證能以流體形式順暢擠出，還要滿足打印過程中能快速凝結的性能要求；

5）需要建立建筑3D打印材料性能的完善評價體系，包括：材料配制的強度要求、輸送性能要求（泵送性和可擠出性）、端口成型性能要求、粘結性能要求、可建造性能要求以及耐久性能要求等。

從整體來看，3D打印建筑目前仍處于試驗階段，要實現大規模應用還需要很長時間。短期內，建筑3D打印技術只適于一些低矮建筑以及對安全性要求不高的構件的打印。長期來看，隨著建筑3D打印技術的發展和推廣，打印材料和打印設備兩個領域會迎來空前的發展機遇。一旦建筑3D打印技術被市場廣泛接受，傳統的建造方式將被取代，建筑3D打印材料也將顛覆傳統的建材市場。