一、概述
3D打印技術(shù)是上世紀(jì)80年代開始興起的一種快速成型新制造技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)，將打印材料通過逐層打印的方式構(gòu)造物體，*終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。其具有數(shù)字化、智能化、機(jī)械自動(dòng)化等特點(diǎn)。建筑3D打印其本質(zhì)上是綜合利用管理、材料、計(jì)算機(jī)與機(jī)械等工程技術(shù)的特定組合完成工程建造的技術(shù)。在建筑功能化、結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜化、規(guī)模擴(kuò)大化的建筑要求下，傳統(tǒng)的施工技術(shù)和方法是難以滿足和實(shí)現(xiàn)的。與傳統(tǒng)建筑業(yè)相比，3D打印技術(shù)可采用工業(yè)化的生產(chǎn)方式，減少了勞動(dòng)力的投入，提高了效率，縮短了生產(chǎn)建設(shè)周期，同時(shí)在建造過程中防止了環(huán)境的大面積破壞。
住建部發(fā)布《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，規(guī)定“積極開展建筑業(yè)3D打印設(shè)備及材料的研究。結(jié)合BIM技術(shù)應(yīng)用，探索3D打印技術(shù)運(yùn)用于建筑物品、構(gòu)件生產(chǎn)，開展示范應(yīng)用”。3D打印混凝土建筑目前在國內(nèi)還處于起步階段，國內(nèi)高校、研究院聯(lián)合建筑單位正在研制和開發(fā)3D打印建筑技術(shù)，從建造邏輯、結(jié)構(gòu)形式、建造技術(shù)方面與傳統(tǒng)建造方式進(jìn)行對(duì)比，理論上分析論證了3D打印建筑技術(shù)的可行性和應(yīng)用趨勢(shì)；3D打印技術(shù)在建筑業(yè)應(yīng)用中的應(yīng)用現(xiàn)狀，依據(jù)問題和局限提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略，以其技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析其應(yīng)用趨勢(shì)。
二、我國建筑3D打印技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展
近年來，3D打印技術(shù)在機(jī)械制造、航空、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并且逐漸拓展至建筑領(lǐng)域。3D打印技術(shù)能夠有效解決建筑傳統(tǒng)施工中存在的手工作業(yè)多、模板用量大、復(fù)雜造型難以實(shí)現(xiàn)等問題，并且在建筑個(gè)性化設(shè)計(jì)、智能化建造等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。
在實(shí)際建造中，建筑相對(duì)于其它工業(yè)產(chǎn)品具有較大尺度，相對(duì)于傳統(tǒng)建造技術(shù)，3D打印技術(shù)的成本高昂，使得3D打印技術(shù)還僅局限于使用在建筑模型的制作中。所以，3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用門檻關(guān)鍵在于成本，但相信這一門檻的跨越只是時(shí)間問題。建筑3D打印技術(shù)與現(xiàn)有施工技術(shù)是互補(bǔ)的、相互依靠的關(guān)系。今后的發(fā)展趨勢(shì)不是建筑3D打印技術(shù)去替代現(xiàn)有的施工技術(shù)，而是對(duì)現(xiàn)有施工技術(shù)的一個(gè)強(qiáng)有力的補(bǔ)充。3D打印技術(shù)無疑將推動(dòng)制造業(yè)的數(shù)字化發(fā)展，相信在3D打印的世界里，建筑師、工程師和建筑工人將借助科技之力，將建筑與3D打印結(jié)合，完成對(duì)現(xiàn)有建筑技術(shù)的再造。

混凝土3D打印工藝原理是將建筑的圖形設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)化成三維的打印路徑，利用打印系統(tǒng)將凝結(jié)時(shí)間短、強(qiáng)度發(fā)展快的混凝土精確分層布料，逐層疊加累積成型，實(shí)現(xiàn)免模板施工。打印系統(tǒng)由混凝土輸料系統(tǒng)、混凝土布料系統(tǒng)、打印路徑控制系統(tǒng)組成。三個(gè)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)控制下協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)施工過程的智能化。
混凝土3D打印是一種免模板的施工工藝，通過打印頭擠出成型后的混凝土既是結(jié)構(gòu)主體，其自身也相當(dāng)于一層混凝土模板。如果打印的結(jié)構(gòu)為中空，待打印混凝土硬化后可以填充普通混凝土或砂漿等其他材料，外層打印的混凝土成為了免拆的永久模板。
在應(yīng)用方面，混凝土3D打印技術(shù)除了打印一般房屋建筑的用途外，另外一個(gè)潛在的應(yīng)用途徑就是打印經(jīng)過設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的特殊形狀的市政公共設(shè)施、景觀部品，甚至是大型的混凝土雕塑輪廓，這些特殊的應(yīng)用也能夠體現(xiàn)出混凝土3D打印的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，市政景觀部品和設(shè)計(jì)的特殊造型的構(gòu)件一般要求具有一定的色彩和裝飾效果，一般水泥的顏色比較單調(diào)，而彩色3D打印混凝土能滿足這樣要求。
1. 3D打印房屋
通過3D打印來打印建筑是建筑3D打印技術(shù)一個(gè)*重要的應(yīng)用方向。建筑3D打印目前一般按照建筑設(shè)計(jì)三維模型打印墻體的外輪廓，中間通常為中空，墻體的打印外殼可以作為模板，中間填充混凝土或保溫材料。

近幾年來，隨著3D打印技術(shù)研究的不斷深入，3D打印建筑的應(yīng)用示范項(xiàng)目也逐漸增多，原位兩層建筑的打印項(xiàng)目在國內(nèi)外開始出現(xiàn)，裝配式3D打印建筑也不斷增多。圖4-圖8是國內(nèi)比較典型的3D打印建筑項(xiàng)目，這些項(xiàng)目的應(yīng)用示范，促進(jìn)了建筑3D打印技術(shù)發(fā)展和完善。

圖4、圖5是2019年11月我國*個(gè)基于“輪廓工藝”原位3D打印完成的2層辦公室項(xiàng)目，采用了框架式3D打印機(jī)，主體墻體3D打印，梁板結(jié)構(gòu)預(yù)制，墻體主體打印時(shí)間約60小時(shí)，打印效率效果良好，體現(xiàn)了3D打印無模施工工藝的優(yōu)勢(shì)。

圖6為采用滑模工藝打印的雙層別墅，由含有15mm的粗骨料混凝土打印而成，打印墻體為實(shí)心，打印過程中通過打印頭的設(shè)計(jì)直接將豎向鋼筋植入墻體，解決了3D打印豎向鋼筋配制難的問題。圖7、圖8為打印的墻體構(gòu)件，通過裝配搭建而成了中式庭院、多層3D打印公寓項(xiàng)目。
2. 3D打印橋梁主體結(jié)構(gòu)及輔助構(gòu)件
混凝土3D打印不僅在房屋建造中應(yīng)用，也很適合在軌道橋梁工程中進(jìn)行應(yīng)用，特別是非常適合打印橋梁工程、市政軌道工程中墩柱的模板。

圖9和圖10所示為3D打印步行橋構(gòu)件，然后通過現(xiàn)場(chǎng)安裝并張拉預(yù)應(yīng)力搭建了一座步行墻，打印效果良好，設(shè)計(jì)美觀。

圖11為清華大學(xué)設(shè)計(jì)并打印構(gòu)件拼裝完成的一樁拱形步行橋項(xiàng)目，圖12為河北工業(yè)大學(xué)打印的縮比例趙州橋，這兩座拱形橋梁都是采用了3D打印構(gòu)件模殼，然后灌注混凝土，*后拼裝完成。

3D打印不僅可以打印橋體的構(gòu)件模殼，還可以打印橋梁的圍護(hù)欄桿構(gòu)件，具有良好的強(qiáng)度和耐久性。

相對(duì)墻體本身結(jié)構(gòu)的打印，混凝土3D打印更適合打印一些橋梁工程、市政軌道工程中的異形墩柱的模板，可以節(jié)省大量的模具費(fèi)用并且可以降低造價(jià)，打印的模殼作為永久結(jié)構(gòu)部分不必拆除，對(duì)橋梁支柱可以起到良好的保護(hù)作用。
3. 3D打印公共設(shè)施
城市中的公共設(shè)施建筑一般具有小型化、多樣化的特點(diǎn)，建筑3D打印針對(duì)這樣的小型建筑的建造相較傳統(tǒng)制模具有很大的優(yōu)勢(shì)。既可以滿足快速制作，又可以根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行專業(yè)化的定制，具有良好的應(yīng)用前景。圖19至圖26為建筑3D打印技術(shù)可以進(jìn)行的一些公共建筑的打印示范。

這些打印的公共設(shè)計(jì)一般體積小、可以進(jìn)行吊裝移動(dòng)，根據(jù)城市不同位置的需求進(jìn)行打印預(yù)制，然后直接搬運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)使用。
4.3D打印大型景觀構(gòu)件
3D打印在異形曲線路徑的打印上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，通過混凝土3D打印可以制作一些景觀雕塑、小品，再進(jìn)行后期的表面處理提高作品的表觀質(zhì)量，可以在美麗城市、人文城市的今天大有作為。3D打印工藝也可以實(shí)現(xiàn)建筑師的大膽設(shè)計(jì)，降低傳統(tǒng)石材雕刻對(duì)環(huán)境的污染，節(jié)能環(huán)保。圖27至圖32為一些適于3D打印的大型景觀構(gòu)件。

5. 3D打印裝修圍護(hù)結(jié)構(gòu)
建筑3D打印技術(shù)可以打印一些定制圖案的圍護(hù)墻體、多功能的綠植墻體，甚至是河岸工程中的護(hù)堤墻塊，具有免模板，快速高效特點(diǎn)。圖33至圖40是打印或者針對(duì)3D打印進(jìn)行設(shè)計(jì)的裝飾構(gòu)件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

6. 3D打印異型小品構(gòu)件
利用3D打印技術(shù)可以打印公園里的休閑桌椅、樹池花池以及一些宣傳性的藝術(shù)字體。這些構(gòu)件通過定制模板一般是很難完成或者成本很高，但是通過3D打印技術(shù)只需要根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行三維建模，然后將設(shè)計(jì)的圖形導(dǎo)入打印機(jī)打印出來即可完成。圖41至圖44是打印和設(shè)計(jì)的公園功能結(jié)構(gòu)小品和宣傳藝術(shù)字體。

三、國際建筑3D打印技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展
美國、歐洲率先開展了建筑3D打印技術(shù)應(yīng)用探索，利用多種類型的3D打印設(shè)備，陸續(xù)打印出大量景觀構(gòu)件、單層房屋等。近兩年來，建筑3D打印技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展逐漸由我國相關(guān)研究院所和企業(yè)引領(lǐng)，國際上大型3D打印建筑項(xiàng)目相關(guān)的報(bào)道較少。
美國Apis Cor公司為阿聯(lián)酋迪拜市政府完成了一座兩層行政大樓墻壁結(jié)構(gòu)的3D打印（圖57-圖58）。這棟辦公樓高9.5米，總面積640平方米，混凝土墻體由一臺(tái)3D打印機(jī)打印而成。由于建筑總面積大于3D打印機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)可達(dá)的打印面積，因此打印機(jī)需要通過起重機(jī)在施工現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)，來打印所有的墻體。整個(gè)施工過程都是露天的，這意味著無法控制場(chǎng)地溫度、濕度等環(huán)境因素，3D打印材料的開發(fā)與測(cè)試都在惡劣的天氣條件下進(jìn)行，可滿足露天施工的需求。
丹麥Cobod International公司開發(fā)出了大型3D打印設(shè)備，可打印長度27米、寬度12米，高度9米的建筑物，希望利用該設(shè)備實(shí)現(xiàn)樓房的原位打印，目前該設(shè)備尚未實(shí)施打印實(shí)際建筑試驗(yàn)。
蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院采用數(shù)字化技術(shù)，設(shè)計(jì)建造了三層樓的DFAB House（圖59），該建筑占地面積約200平方米，位于一座名為NEST建筑的*上層，客廳內(nèi)裝有采用3D打印模板鑄造的混凝土天花板以及由建筑機(jī)器人創(chuàng)建的弧形混凝土墻，是首個(gè)結(jié)合智能家居和3D打印的大尺寸人居項(xiàng)目。
雖然近兩年國際上建筑3D打印大型應(yīng)用項(xiàng)目較少，但美國、歐洲在3D打印設(shè)備、材料等方面的基礎(chǔ)研究仍較我國有一定優(yōu)勢(shì)，3D打印分會(huì)將利用協(xié)會(huì)平臺(tái)，組織會(huì)員單位通過參加國際學(xué)術(shù)會(huì)議和前往國際優(yōu)秀設(shè)備和應(yīng)用企業(yè)調(diào)研交流，促進(jìn)我國建筑3D打印行業(yè)的快速發(fā)展。
四、建筑3D打印技術(shù)展望
3D打印在建筑行業(yè)的應(yīng)用有很多優(yōu)點(diǎn)：
較低的成本。打印建筑構(gòu)件可有效避免材料存儲(chǔ)成本，也可充分利用建筑垃圾等，形成資源循環(huán)利用；3D打印建筑工期短，所需的勞動(dòng)力少，勞工成本低。
塑形能力強(qiáng)。適合異形混凝土構(gòu)件的建造，可以實(shí)現(xiàn)中空、鏤空制作，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的形狀。
環(huán)保性強(qiáng)。構(gòu)件提前預(yù)制，建筑安裝工程產(chǎn)生的建筑垃圾和灰塵等比傳統(tǒng)方法少。
3D打印技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科跨界融合的技術(shù)體系，包括建筑模型的數(shù)字化、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、混凝土材料、適應(yīng)建筑大體量特點(diǎn)的智能打印系統(tǒng)、混凝土體內(nèi)或體外鋼筋增強(qiáng)、整體打印或打印構(gòu)件部品裝配式建造技術(shù)等，其復(fù)雜性不言而喻。3D打印建造的研究和應(yīng)用推進(jìn)，將加快我國工程建設(shè)的裝配化、機(jī)械化、智能化和綠色化為特征的建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展步伐，助推我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)。雖然目前在實(shí)體建造的相關(guān)基礎(chǔ)性研究和工程應(yīng)用中也略顯不足，但3D打印建造發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｎ覀冐叫杳鞔_其發(fā)展方向，理清其發(fā)展思路，制定其發(fā)展戰(zhàn)略。3D打印機(jī)技術(shù)雖然是一個(gè)新技術(shù)，但是它在繼承傳統(tǒng)的3D打印機(jī)技術(shù)以及工藝的基礎(chǔ)上也有相應(yīng)新的要求。建筑3D打印雖然擁有廣闊的應(yīng)用前景，但目前還處于探索階段，在打印材料、打印方式、打印設(shè)備、結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計(jì)方法、施工工藝和標(biāo)準(zhǔn)體系等方面存在著一些問題需要解決。
（1）3D打印建筑采用混凝土制品逐層疊加的構(gòu)件表面粗糙程度不均勻，觀感程度低，使得建筑的美學(xué)效果降低。而且建筑構(gòu)件尺寸要求不一，對(duì)相應(yīng)的打印機(jī)要求也不一樣，基于打印機(jī)的構(gòu)造及工作原理，會(huì)限制其應(yīng)用范圍。另一方面，3D打印建筑物具有不可逆性，對(duì)打印機(jī)的打印過程具有嚴(yán)格要求，這增加了高要求打印建筑精度的技術(shù)操作難度。當(dāng)然，工藝上的限制可通過小型機(jī)器或裝配式建筑等方式得以解決，與傳統(tǒng)方式相比，還是有相對(duì)的優(yōu)點(diǎn)可以采納。
（2）3D打印建筑在我國還未有相關(guān)的具備執(zhí)行力的行業(yè)規(guī)范。雖然3D打印建筑可相對(duì)參考建筑規(guī)范的樓層高度、平面布局、構(gòu)件尺寸、管綜排布等規(guī)范要求，可是涉及到材料強(qiáng)度要求、安全可靠性、荷載強(qiáng)度、抗震減震等領(lǐng)域的實(shí)際要求，卻沒有相對(duì)的參考借鑒指標(biāo)。新技術(shù)、新材料的出現(xiàn)都需要一定的發(fā)展時(shí)期以形成行業(yè)規(guī)范，這需要逐步建立3D打印建筑在設(shè)計(jì)方法、施工工藝、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系。
（3）3D打印材料。目前所采用的材料均為水泥、纖維等的混合物，既要滿足材料強(qiáng)度要求，又要具有良好的和易性，且還需要滿足打印過程材料快速凝結(jié)的性能要求。基于3D打印過程“逐層疊加”的原理，打印材料層層堆積，若凝結(jié)不及時(shí)，下層材料未達(dá)到足夠的強(qiáng)度和承載力，會(huì)造成上層材料堆積變形，從而影響精度。研究出具有抗拉性能高、韌性強(qiáng)、抗裂性能好且初凝時(shí)間較快、初凝強(qiáng)度適宜的打印材料是發(fā)展3D打印建筑技術(shù)的關(guān)鍵一步。
（4）3D打印與BIM技術(shù)的融合
BIM（建筑信息模型）的逐漸應(yīng)用，相信電腦中的建筑模型完全可以與3D打印機(jī)銜接。參數(shù)化設(shè)計(jì)、異形建筑形體或局部復(fù)雜，用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件、圖紙、施工技術(shù)難以精確表達(dá)。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，可打印材料增加、可打印體量變大和成本降低，可以直接打印出建筑裝飾構(gòu)件，再運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)安裝拼接，甚至可以打印具有足夠強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。制造企業(yè)有非常明確的生產(chǎn)制造工藝流程，雖然建筑工程行業(yè)的建造過程有點(diǎn)混亂，但未來會(huì)消除這種混亂，建造一棟建筑，就像現(xiàn)在制造企業(yè)生產(chǎn)一種產(chǎn)品一樣，有了3D打印技術(shù)，其流程會(huì)更加精良，會(huì)更加完善。在3D打印技術(shù)面前，未來的一個(gè)大體量建筑，其建造施工將與一個(gè)生產(chǎn)制造企業(yè)生產(chǎn)一架飛機(jī)和汽車一樣，兩者不會(huì)有太大的差別。
建筑3D打印技術(shù)作為一項(xiàng)高新制造技術(shù)，相較傳統(tǒng)建造技術(shù)工藝，在建筑施工效率、人力節(jié)省、資源環(huán)保等方面有著明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)。3D打印建筑無需模板施工，一次成型減少資源消耗，避免因返工和因尺寸差別而導(dǎo)致的資源浪費(fèi)。同時(shí)，3D打印技術(shù)的具有設(shè)計(jì)自由、建造精確特點(diǎn)，這為建筑師的設(shè)計(jì)工作提供了更大的空間與更好的條件，借助CAD軟件，通過3D打印，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜、創(chuàng)意設(shè)計(jì)。目前在材料、設(shè)備、施工技術(shù)等條件下，3D打印技術(shù)在建筑施工領(lǐng)域的應(yīng)用暫時(shí)適合在部分輕量級(jí)建筑、景觀小品、構(gòu)件中進(jìn)行的技術(shù)試驗(yàn)和應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷成熟，逐漸拓展其應(yīng)用范圍。
3D打印建筑技術(shù)在環(huán)保、施工技術(shù)、建筑業(yè)發(fā)展等方面具有的重要價(jià)值與意義。建筑3D打印雖然擁有廣闊的應(yīng)用前景，需要建立3D打印建造材料體系、3D打印建造設(shè)備體系、3D打印建造標(biāo)準(zhǔn)體系以及3D打印建造示范工程體系。同時(shí)，通過不斷的創(chuàng)新和完善使其能夠與傳統(tǒng)的建造技術(shù)完美的融合，互為補(bǔ)充是建筑3D打印技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，促進(jìn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，并與建筑可持續(xù)發(fā)展緊密結(jié)合。
消息來源：中國混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)
關(guān)鍵詞：3D打印，建筑，技術(shù)