3D打印技術在可持續建筑中的應用研究

摘要：目的：3D打印能夠創建復雜的設計，而這些設計在以前是難以實現的。文章探討混凝土三維打印的發展和進步，以及這項技術應用于可持續建筑中面臨的挑戰和未來潛力。同時，強調了3D打印技術的優勢，如降低成本、減少材料和時間、提高安全性以及最大限度地減少環境污染等。方法：通過調研3D打印技術和可持續建筑的發展現狀，獲得一手資料。利用關鍵詞搜索，在中國知網、萬方數據庫、維普資訊、愛思唯爾等中外數據庫進行文獻檢索。結果：為實現可持續發展，文章主要研究生態友好型替代品，如可用于3D打印的大量粉煤灰、地質聚合物、回收玻璃骨料等。這些材料不僅能夠降低對環境的影響，還能增強建筑構件的長期性能。在討論不同的3D打印方法（包括擠壓法和粉末打印）時，強調了每種方法在可持續建筑中的應用潛力。結論：3D混凝土打印（3DCP）為更快、更精確和可持續的施工實踐提供了有效的解決方案。隨著3D打印技術的日益完善，其不僅可以打印小件物品，甚至可以顛覆傳統的建筑行業。3D打印技術有潛力通過提供低成本、高效和環保的解決方案來改變建筑業。然而，其面對的就業影響和結構穩定性等挑戰必須通過進一步研究來解決。

關鍵詞：3D打印；環保；節能；可持續建筑

中圖分類號：TU17 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）23-0-04

0 前言

建筑業的特點是過程緩慢、勞動密集和耗時，在技術上不夠先進。然而，3D混凝土打印（3DCP）為更快、更精確和可持續的施工實踐提供了新的可能性。傳統基礎設施建設涉及多個階段，包括設計、采購材料、組裝等，既費時又費力，建筑行業一直受到延誤、成本超支和安全問題的困擾［1-4］。3D打印技術可以通過顯著減少建造所需的時間和勞動力來革新建筑業，主要優勢是加快施工速度和提高精度。與需要手工勞動的傳統建筑方法不同，3D打印技術能夠以令人難以置信的速度和精度創建復雜的形狀，可以加快施工速度，降低勞動力成本，更有效地利用資源［5-8］。同時，3D打印技術可以減少打印過程中產生的浪費，使這個過程更具可持續性。傳統的施工方法往往會導致大量的浪費，因為材料是現場切割和組裝的［9-11］。相比之下，3D打印技術只需使用必要的材料，就能以更高的精度生產建筑部件，從而減少浪費。3D打印技術可以使用可持續的材料，如回收塑料或可生物降解的材料，以此減少建筑行業的碳足跡［12-14］。此外，3D打印技術有可能改變結構的設計和功能。有了3D打印，就能夠創建復雜的設計，而這是傳統的構建方法很難實現的［15-18］。3D打印技術使建筑師和工程師能夠開發出融合曲線、角度和復雜細節的策略，形成視覺上令人驚嘆的功能性結構。圖1代表了垂直3D打印的四種應用，包括（a）帶殼和填料的現澆墻應用、（b）實體幾何構件、（c）面板構件、（d）現澆墻和柱，這些圖像突出了垂直3D打印在創建高精度和高效率的復雜結構方面的潛力。

Mehar等人強調，3D打印技術的快速發展徹底改變了混凝土作為3D可打印材料的使用。Kothman和Faber指出了3D打印混凝土的顯著制造優勢，包括縮短交付周期、集成功能和減少材料使用，這能夠簡化建筑供應鏈，并最大限度地減少物流工作。不過，吳等人指出，盡管3D打印有其優勢，但與其他行業相比，3D打印在建筑行業的應用速度較慢。Teizer等人強調了公眾意識在推動建筑公司探索利用3D打印的替代建筑工藝方面的重要性。然而，Jakus認為3D打印的快速發展更多的是受到重要的法律、社會事件和團體的影響，而不是重大的技術突破［19］。

根據可持續發展目標，約翰斯頓強調，到2030年需要關于可持續做法和生活方式的相關信息。Oke等人強調了政府支持、負擔得起的數字工具、強大的信息系統、技術意識以及地方研發對加強數字技術和促進合作的重要性。全球對3D打印技術能力的認識得到了提升，3D打印技術在學術和臨床研究機構中被迅速采用。由此，3D打印技術不僅成為現有研究的重要工具，也成為研究的主題。

3D打印技術源于基于計算機輔助設計（CAD）圖紙的3D結構的逐層制造，目前已經成為一種創新和通用的技術。它為尋求提高制造效率的公司提供了機會，可以打印各種材料，包括熱塑性塑料、陶瓷、石墨烯基材料、金屬等。此外，它給消費者在最終產品中更多的投入，形成了定制的規格。隨著生產設施越來越貼近消費者的生活場景，生產過程變得更加靈活、快速和受質量控制，同時通過車隊跟蹤技術減少了運輸需求，從而節約了能源和時間。這項技術在農業、醫療保健、汽車、航天工業等行業應用廣泛，促進了大規模定制和開源設計。

然而，在制造業中采用3D打印技術也面臨一定的挑戰。值得注意的是，這可能減少對勞動力的需求，影響依賴低技能工作的經濟體。此外，3D打印對各種物體（包括槍支等危險物品）的可訪問性也引發了一系列安全問題，限制其使用權限是必要的，以防恐怖分子和罪犯濫用。同時，從藍圖生成三維物體的容易性增加了偽造的風險，須采取措施解決知識產權問題。

本文關注可持續發展能力方面，著力探索革新可持續建筑實踐的生態友好型材料，如大體積粉煤灰、地質聚合物、再生玻璃骨料等。此外，還深入分析了不同的3D打印方法，包括擠壓法和粉末打印，重點介紹其優勢、挑戰和潛在應用。通過強調可持續性、深入分析3D打印方法、確定研究差距和實際建議，旨在為3D打印技術及其在可持續建設中的應用潛力的研究作出貢獻，為建筑行業的研究人員、從業人員和決策者提供借鑒。

1 3D打印方法

1.1 擠壓法

擠出能力是混凝土從噴嘴中流出的能力，根據不堵塞噴嘴即可打印的混凝土膏來進行評估，打印的混凝土漿料應無裂縫和分離。可擠出性取決于明確的混合特性和噴嘴校準，如果噴嘴標定不正確，混凝土就會卡在泵管內。混凝土是依賴于時間的，因此它會影響整個混合料。如果混凝土未被正確擠出，結構就會失效，從而影響層間結合。在多數情況下，大型龍門機器會用于打印，但這需要很長的制造時間，因此，為了避免大規模現場工作時間的延遲，引入了機械臂。同時，為了滿足數字擠出混凝土的超高需求，打印材料應具有觸變性、快速水化、快速凝固、致密性，并且要控制好屈服強度和塑性黏度等性能。此外，規模、周圍環境、支撐和裝配策略等多種參數也可用于數字混凝土澆筑。擠壓法是數字混凝土中應用最廣泛的方法，在許多建筑公司中越來越受歡迎。

1.2 粉末打印

粉末打印是一個附加的制造過程。在這一過程中，通過將液體黏合劑擠壓到粉末床中來制造理想的組分，這種液體黏合劑在粉末撞擊床的地方黏結粉末。下層為3 mm厚，涂上一層約0.1 mm厚的新粉末，滾筒使床面最光滑。當特定層完成時，黏合劑進料器將黏合劑溶液送入打印頭，并通過噴嘴將其推出。黏合劑溶液的工作流程是按需滴加（DOD）過程，隨后是去粉過程，清除多余的廢物，熱處理或浸滲工藝可提高強度和耐久性。非擠壓式3D打印技術是一種原位方法生產預制混凝土部件的技藝，適用于小型組件，如面板、永久性模板和內部結構等，可以在現場連接。為了制造模板，使用基于水泥或非水泥的材料，黏合劑通過噴嘴被擠壓成粉末，將粉末顆粒黏合在一起。在確定合適的工作步驟后，即可取出部件，并可在干燥一段時間后再次取出，可用鼓風機清除未結合的塵埃。然后，將該功能交付至施工現場，進行組裝和安裝。

粉末打印的打印機和打印材料存在一些局限性。與擠壓法相比，打印機是小型或中型的，因此，對更重要成分的要求可能很復雜。具體而言，有幾個因素會影響打印速度，黏合劑噴墨速度和粉末鋪設速度是主要因素，所以它們必須平行，以提高打印速度。打印材料的可用性是另一個問題觸變性，能夠快速干燥，快速凝固致密，需要良好的控制性能，如屈服強度和塑性黏度。

2 可持續建筑和可持續材料

可持續建筑要滿足當今基礎設施、工作和生活環境的要求，同時不損害后代滿足需求的能力。基于擠壓的3D混凝土打印技術中使用的大多數可打印水泥材料都是基于波特蘭水泥的黏合劑（OPC）。在OPC生產過程中，大量的二氧化碳被釋放到大氣中，此外，OPC生產還會消耗大量能源。使用OPC基材料時，這兩個因素都會影響3D混凝土打印技術的魯棒性。因此，需要開發適用于3D混凝土打印技術擠出工藝的非OPC材料。各種低二氧化碳排放的環保材料也可用于3D打印，如粉煤灰、地質聚合物和回收玻璃均是工業中使用的環境友好型材料。

2.1 高摻量粉煤灰

基于粉煤灰材料的粉煤灰混凝土是可持續混凝土結構打印的可能替代品。粉煤灰是煤炭工業的殘留物和衍生物，攜帶一些有害金屬，這些金屬會傷害土壤，并造成空氣污染。因此，SC3DP-NTU（新加坡3D打印中心）研究提出了一種適用于3D混凝土打印應用的大體積粉煤灰配方，這種配方可以減少對環境的影響，改善建筑材料的長期強度性能。

2.2 地質聚合物

地質聚合物是一種不含水泥的黏合劑，可以代替OPC，是聚合過程的結果。在聚合過程中，用堿性溶液激發硅酸鋁源（如高爐礦渣或粉煤灰）。例如，灰基地質聚合物中二氧化碳的消耗和排放分別比OPC低60%和80%。地質聚合物不僅是綠色的和可持續的，而且特別適合擠出3D打印。其具有可變的凝固特性，且比OPC更耐用。

2.3 再生骨料

要制造混凝土，需要混合水泥、水和幾種骨料，如沙子和礫石等。骨料是至關重要的，因為它們充當著混凝土混合物的黏合劑。盡管海底或沙漠的沙子供應豐富，但世界范圍內仍然面臨建筑用沙短缺的問題。這主要是由于海砂和沙漠砂的性質不適合用于建筑，只有河砂可以用于建筑。因此，在建筑資源有限的情況下，需要采用另一種解決方案來滿足不斷增長的需求，即循環使用由適合的建筑垃圾制成的再生骨料。

2.4 3D打印技術在可持續建筑中的優勢

首先，3D打印技術可以快速構建可持續建筑物。這種快速構建方式有助于大大縮短建筑周期，節省建設時間和成本。其次，相比于傳統的建筑方式，3D打印建筑的精確度更高，可以更好地保證可持續建筑物的質量。最后，3D打印技術能將建筑物的設計圖紙直接轉化為實體，從而避免了傳統建筑方式中的浪費情況，節約了材料和成本。

3 結語

3D打印混凝土技術在解決現代建筑行業面臨的可持續性挑戰方面具有巨大潛力，為創新設計的可能性提供了機遇。隨著施工的推進，預計施工將包含一個結合傳統和附加制造方法的集成過程，這項變革性技術將促使建筑行業轉型升級。如果3D打印技術繼續以目前的速度發展，就可能徹底改變整個施工過程。建筑行業運用3D打印技術有許多好處，包括降低成本、增強對惡劣天氣條件的適應能力、減少材料浪費、減少二氧化碳排放和能源消耗等。同時，3D打印技術的另一個優勢是安全性，它可以減少現場傷亡，由打印機承擔危險任務，并精準地加快建筑施工。在受災地區，數百萬人無家可歸，3D打印有潛力快速建造永久性住房，提供必要的服務，為有需要的人帶來一線希望。

隨著研究的不斷深入，持續的理解、實驗和實際應用將在建筑和施工領域發揮關鍵作用，能夠最大限度地利用3D打印技術的真正力量。盡管會產生潛在工作崗位流失的影響，但這一技術在可持續性、效率和響應性方面的優勢不容忽視。3D打印技術將引領一個可持續和創新建筑實踐的新時代，重塑該行業未來的發展格局。

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作者簡介：王毅飛（2002—），男，江蘇鹽城人，本科在讀，研究方向：智慧城市、建筑設計。