3D打印技术在建筑领域的研究进展

林宗浩，石从黎，陈敬

（重庆建工建材物流有限公司，重庆 401122）

3D打印技术在建筑领域的研究进展

林宗浩，石从黎，陈敬

（重庆建工建材物流有限公司，重庆 401122）

近年来，3D 打印技术作为高速发展的新兴技术，在机械、医学等行业取得了很大成功，在建筑领域也有所发展。本文重点从 3D 打印建筑技术中的建筑 3D 打印机、建筑 3D 打印材料、3D 打印建筑实例出发，阐述了国内外 3D 打印建筑技术发展状况及最新进展，讨论了建筑 3D 打印机、打印材料在当前所面临的问题，分析并提出了未来可研究的方向。

3D 打印技术；建筑 3D 打印机；建筑材料；3D 打印建筑实例

0 前言

当前人类正面临历史上第三次工业革命浪潮，信息化和数字化产业的发展是必然趋势。英国《经济学人》杂志在《第三次工业革命》一文中，将 3D 打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一，引发了世人的关注。随着 3D 打印技术在全球的知名度逐渐提高，在各行各业的应用也都逐渐被开发了出来。如今，3D 打印广泛涉猎各大行业，在航空航天、工业、生物医疗以及建筑等产业都取得了飞速地发展。

在建筑行业，3D 打印技术同样顺应了产业革命的发展。3D 打印建筑是利用计算机发出指令控制工业机器人逐层重复铺设材料层构建自由形式的建筑结构的新兴技术，将使大规模的个性化生产成为可能，逐步实现快速建造和产业化生产，并会创造出大量的传统工艺不易甚至无法生产的新建筑结构[1]。同时，3D 打印建筑技术极大程度上实现了节约、绿色、低劳动强度、文明施工的现代生产方式，是传统建筑技术、传统建筑模式无法比拟的。

混凝土作为建筑上用量最大、范围最广的建筑用材料，3D 打印建筑技术主要就是 3D 打印混凝土技术，是在 3D 打印技术的基础上发展起来的混凝土施工新技术。目前的 3D 打印机主要是小型的桌面打印机，并不适用于建筑 3D 打印。因此本文以 3D 打印混凝土技术为例，主要从打印机设备和打印材料以及一些 3D 打印的建筑实例出发，探讨了 3D 打印建筑技术的研究进展。

1 建筑 3D 打印技术相关概念

3D 打印技术的概念在 20 世纪 70～80 年代首次问世，当时被称为 “快速成型”技术。1986 年，Chuck Hull 发明了立体光刻工艺（SLA），并获得专利[2]。而 Joseph Pegna[3]是第一个尝试使用水泥基材料进行建筑构件 3D 打印的科学家，其方法类似于选择性沉积法：先在底层铺一层薄薄的砂子，然后在上面铺一层水泥浆，采用蒸汽养护使其快速固化成型。而当前应用于建筑领域的 3D 打印技术主要有三种：D 型工艺（D -Shape）[4]（图1）、轮廓工艺（Contour Crafting）[5]（图2）和混凝土打印（Concrete Printing）[6]（图3）。

3D 建筑打印是利用工业机器人通过逐层累积最终形成一个自由形式的建筑结构成品的新兴技术。其构成和传统打印机基本一样，都是由控制系统、机械系统、打印喷头、建筑打印材料组成的。根据电脑上设计的完整的三维模型数据，通过一个运行程序将材料分层打印输出并逐层叠加，最终将计算机上的三维模型变为建筑实物。与传统建筑施工工艺相比，3D 建筑打印技术有以下主要优势：

（1）施工工期短；

（2）不会因为建筑形状、结构复杂性等因素而增加建设成本；

（3）不需要模板，定制性强，可塑性好，可打印出任何细节特点与复杂曲面、管道等；

（4）根据 CAD 设计图，全程由电脑程序操控，无需人工干预，这意味着建筑行业伤亡事故风险的大幅减少，大量节省人员劳工，且用于建筑施工的安全措施费降低；

（5）可以降低建筑粉尘污染，减少雾霾，保护环境，实现绿色环保。

图1　D-Shape 制作的建筑物和月球建筑效果图

图2　Contour Crafting 制作的墙体和建筑效果图

图3　Concrete Printing 制作的异形构件

2 建筑 3D 打印机设备的研究进展情况

目前用于建筑的 3D 打印机主要由两部分组成，第一部分为连续输出建筑材料的系统即输料系统，第二部分为打印机的主体结构即带动输料系统根据计算机发出的指令运动的运动系统。整个打印机的工作流程示意图如图4 所示。

图4　建筑 3D 打印机工作示意图

目前打印机常用运动系统的结构主要有两种，一种是直角坐标系结构，另一种为球坐标系结构。图5 所示为两种不同结构类型的直角坐标系的运动系统结构，图中左边的打印机是将整个输料系统放在一根横梁上通过竖直方向的两根导轨带动整个横梁在竖直方向（Z 轴）进行上下运动实现打印过程的材料叠加完成整个实物的打印；右图中打印机的横梁固定在打印机的最顶端不动，输料系统悬挂在 Z 轴的最末端，利用螺杆或者齿轮通过“伸缩”的方式使得输料系统在 Z 轴上进行坐标移动进行材料叠加完成整个实物的打印过程。

图5　直角坐标系结构打印机

如图6 所示为球坐标系结构的建筑 3D 打印机，图中左边为意大利一家公司发明的建筑 3D 打印机，图中右边为泰国暹罗水泥集团 3D 打印水泥机。这种球坐标系结构的 3D 打印机方便于输料系统的安装设置，可以直接将料斗设置在球坐标的三轴的交汇点处，通过电脑发出指令使得三轴的伸缩进行坐标点的连续变化实现打印过程。

图6　球坐标系结构打印机

关于建筑 3D 打印机输料系统目前的输送动力主要是靠挤压。但目前为了改善以下因材料所产生的打印问题导致了输料系统的类型繁多，其主要问题有：

（1）众所周知混凝土材料是多种原材料混合而成，其中含有不少粒径相对偏大的骨料，喷嘴的口径也相对偏大导致逐层叠加打印过程中每层间会产生一些明显凹纹整体打印表面粗糙；

（2）混凝土材料从塑性状态到凝固并形成强度需要一定时间，在逐层叠加过程中下层材料不足以支撑上层材料的重量导致逐层叠加的高度受到限制；

（3）混凝土材料抗压强度高，但抗折、抗拉、抗弯能力弱，无法在打印过程中实现钢筋的布置导致实体的抗震、抗风力冲击能力较弱。

为了解决打印出的建筑实体表面粗糙这一缺陷问题，南加州大学发明在打印机喷头处添加泥刀，如图7 中左图所示，用于抹平和精确规整打印建筑每一层的外表面，以解决打印建筑实体的过程中不可避免的层级堆积效应，出现表面不平整的横向凹纹现象[8]。为了解决打印过程中混凝土材料堆积高度受限的问题，一家荷兰公司根据混凝土升高温度可以加速凝固这一特点，在打印机喷头处添加暖风通入装置，如图7 的中间图所示，能够及时对打印出的实体进行加热，加速混凝土材料的凝固，以致打印过程中下层材料对上层材料提供足够的支撑能力。针对于 3D 打印混凝土过程中无法设置钢筋的问题，中国北京华商陆海科技有限公司采用预先设置好钢筋，再通过改进打印喷头改善出料方式进行混凝土打印，如图7 中右图所示，将钢筋包裹在混凝土内部，从而保证了打印建筑实体的抗折、抗拉、抗弯强度，与目前现浇施工方式建造的钢筋混凝土建筑几乎没有区别。

图7　左边为南加州大学轮廓工艺喷头[7]，中间为荷兰打印机喷头加热系统，右边为华商陆海 3D 打印混凝土喷头

除了以上几种通过改进输料系统来达到 3D 打印建筑的各种技术要求，也有学者提出从混凝土材料本身着手解决以上问题，比如混凝土材料中掺入抗碱玻璃纤维[9]。玻璃纤维主要是短玻璃纤维，其作用原理相当于加筋原理，以此来解决 3D打印建筑的抗弯拉强度不足的缺点。建筑 3D 打印机输料系统的改进特别是喷头设计的进步，使得用于建筑上的 3D打印技术日趋成熟，为未来实现自动化建设奠定了有力的基础。

3D 打印技术在建筑中使用不得不面对建筑实体是一个巨型尺寸的问题，这将对打印机的尺寸放大是一个不小的考验。对于单层、低层或者面积较小建筑的打印仅通过改变龙门架的长度、宽度、高度就可以实现，要完成更高层、更大面积的建筑就将面临着考虑机器本身的尺寸、设备以及打印材料的输送、提升等问题的考验。可以考虑龙门架提升、脚手架悬挂、塔带机式的输送材料与骑墙式行走等打印的模式；也可以考虑将利用钢架高度的增加以逐级将整个打印设备提升到所需的高度。以此来解决高层结构打印所面临的打印设备高度有限的问题。对于建筑实体面积较大的，可以采用多台打印机设备同时分工、协作的工作方式进行分块打印，最后形成一个统一的整体。

3 用于 3D 打印的建筑材料研究进展

一直以来，建筑 3D 打印真正的障碍是材料。混凝土材料不同于其他 3D 打印材料，比如塑料、金属、ABS 等能在高温情况下熔为液体，在空气中能迅速的凝固为固体便于堆积。混凝土和水泥这些材料需要非常适合于 3D 打印机器人的大规模修建工作，它们需要能够快速干燥，以支撑起自己以及上层的重量并结合在一起。泰国水泥生产商暹罗水泥集团（SCG）已经开发出了一种令人吃惊的新水泥，它将粉体材料和纤维用一种特殊的组合方式来混合，使其可以迅速被打印成非传统的形状，如图8 所示。它能够快速结合并且凝固因而可以打印成令人惊奇的曲线和弯折，并且在干燥过程中可以保持独立而不需要支撑材料。

基于混凝土材料的自身特点需要相对较长的时间才能凝固，3D 打印混凝土材料的问题最主要的是解决材料打印出来后能够承载自身以及上层材料的重量以及材料的连续性、柔韧性以便于打印过程不出现断料的问题。Enrico Dini[4]基于胶凝材料和细骨料混合硬化的快速成型原理，对细砂和镁基胶的运用探索出能够打印复杂形体的 D-Shape 打印设备和材料。刘福财[10]等人发明了一种用于 3D 打印的高性能粉末混凝土，采用掺入活性矿物掺合料、增稠剂、快速凝结时间调节剂以及纤维克服了现有技术的缺陷提供了一种固化速度快、粘结性能优良的高性能混凝土，适用于建筑工程中 3D 打印建筑；马义和[11]等人发明了一种可用于 3D 打印的混凝土材料及其制备方法，充分利用不同长度和规格的耐碱玻璃纤维以及 HPMC 纤维素增加混凝土的粘结能力，得到了抗拉性和抗压性都很好的可用于 3D 打印建筑的混凝土材料。也有学者选用特种水泥作为胶凝材料通过添加剂调节凝结时间而制备出3D 混凝土材料：范诗建等[12]将碱性氧化物和磷酸盐以及添加剂等按一定比例配合后研磨成一定细度的固体粉末配成磷酸盐水泥，通过添加剂调整凝结时间控制在 1～15min，1h 抗压强度达到 45～65MPa，抗折强度达 5.5～10.5MPa，用于建筑 3D 打印；蔺喜强[13]等以快硬硫铝酸盐水泥和矿物掺合料组成复合胶凝材料，通过添加复合调凝剂和复合体积稳定剂配成可用于 3D 打印的混凝土材料，其初凝时间20～50min，终凝时间 30～60min，可以灵活控制，2h 抗压强度为 10～20MPa，28d 强度 50～60MPa，可以满足建筑 3D 打印的连续性和强度要求。

图8　暹罗水泥集团（SCG）的 3D 打印建筑

目前 3D 打印建筑材料主要是水泥基材料，在打印的过程中材料具有可塑性并且需要保持良好的柔韧性、连续性，使得材料性能与打印机的匹配度要求较高，在打印结束后又需要形成足够的强度。水泥基材料将不得不面临材料抗折、抗拉、抗弯拉强度不足的问题。有两种方法能够较好的解决3D 打印建筑材料的问题：（1）研发具有较高抗拉强度、较强抗裂能力和塑性的复合材料，可以通过在混凝土基材中加入纤维材料和细骨料的方法来提高其抗拉强度和各项性能指标。（2）采用两种打印材料，一种为受压材料，一种为受拉材料，打印时设置双打印头，在构件的受拉部位打印受拉材料，受压部位打印受压材料。两种打印材料之间必须具有良好的黏结性能，有效形成一个整体工作体。

4 目前 3D 打印建筑的实际案例

随着 3D 打印技术的日益成熟，以及经过众多研究者的努力将其运用于建筑上，已经诞生了诸多通过 3D 打印出来的建筑实体。

2013 年 1 月荷兰建筑师简加普•鲁基森纳斯会与意大利发明家 EnricoDini（D-Shape 3D 打印机发明人）一同合作，他们计划打印出一些包含砂子和无机粘合剂的 6×9(m2) 的建筑框架，然后用纤维强化混凝土进行填充。这次需要用到的 3D打印机也十分庞大，是由意大利发明家 EnricoDini 设计出来的“D-Shape”，使用砂砾层、无机粘结剂，最终的成品建筑会采用单流设计，由上下两层构成，打印出一幢两层小楼名为“Landscape House”[14]。

2014 年 4 月，中国著名企业盈创（上海）建筑科技有限公司通过 3D 打印的 10 幢建筑在上海张江高新青浦园区内揭开神秘面纱。这些建筑的墙体是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，依据电脑设计的图纸和方案，经一台大型的 3D 打印机层层叠加喷绘而成，据介绍 10 幢小屋的建筑过程仅花费24 小时；2015 年 1 月盈创建筑科技有限公司在江苏省苏州工业园区，通过 3D 打印技术打印出了一栋五层楼楼房和一套1100 平方米的精致别墅；2016 年 7 月，盈创全球首个 3D 打印的办公室正式落户迪拜，占地 250 平方米，整个工程用时19 天[15]；2016 年 8 月，盈创公司为苏州太阳山 4A 级景区打印出全球首批“3D 打印”绿色环保厕所[16]；2016 年 9 月盈创公司在山东省滨州市使用 3D 打印技术一次性打印出两套中式风格别墅庭院，用时仅两个月[17]。

2016 年 8 月新浪直播间揭秘了华商陆海科技有限公司位于北京市通州区的富豪工业园的全球首栋 3D 整体打印的别墅，此别墅用时 45 天打印完成，也是全球首例整体打印的楼房[18]。整体打印技术大大提高了整体建筑的强度、抗震性、抗剪切性能，打印出来的墙体也符合现有的国家规范和法规，可以达到抗拉、抗震、抗压、抗剪切的建筑强度要求，能抗八级地震。

最后对于通过 3D 打印的建筑的结构安全性、耐久性等是否能够达到建筑验收标准的问题，目前对此相关研究几乎为空白，还有待进一步的验证。

5 结语

3D 打印建筑技术能够解决传统的建筑建造过程速度慢、工期长，以及施工危险、劳动强度大等问题。随着技术改进，已经可以“打印”方形、环形、圆形以及不规则形状的房屋部件，甚至有了 “打印”一整栋房屋的能力。将 3D 打印原理和建筑结构及材料的关键技术问题结合起来，发展新的、低成本的 3D 打印方法体系，不但对于解决全球住房危机和节约能源、环保等问题从而促进社会和谐发展显得迫切而意义深远，也会对未来建筑业的发展产生重大的影响。此外，3D 打印建筑技术可以实现异形建筑的打印，对环境的要求较小，可将其应用于外太空的探索，迅速完成太空基地的建设。但是对于打印建筑这样的庞大体积实体也还有诸多的问题存在，需要各方研究者在接下来的研究中进一步完善。

[1] 李涤尘，贺健康，田小永，等．增材制造：实现宏微结构一体化制造[J]．机械工程学报，2013,06:129-135．

[2] Bose S, Vahabzadeh S, Band yopadhyay A. Bone tissue engineering using 3D printing [J] . Material s Today, 2013, 16(12): 496-504.

[3] J.Pegna, Exploratory investigati on of solid freeform construction, Automation in Construcion. Vol 5 ( no. 5) (1997) 427-437.

[4] Enrico Dini . “D-Shape” , http: //www. d-shape. com .

[5] B. Khoshnevis, D. Hwang, K. Yao, Z. Yeh, Mega-scalef abrication by contour crafting, International journal of Industrial and Sysem Engineering Vol 1 ( no.3) (2006) 301-320.

[6] S. Lim, T. Le, J. Webster, R. Buswell, S. Austin, A. Gibb, T. Thorpe, Fabricating construction components using layer manufacturing technology, ( GICC' 09) , Paper presented at the Global Innovion in Construction Conference, Loughborough Universi ty, Leicesershire, UK, 2009, 13-16 Septeber, 2009.

[7] Behrokh K, Anders C, Neil Leach M T. Robotic construction on the moon: the potential of contour crafting[J]. Urbanism and Architecture，2012(12) : 40-48．

[8] 张大旺，王栋民．3D 打印混凝土材料及混凝土建筑技术进展[J]．硅酸盐通报，2015,34(6): 1583-158．

[9] 苏达．3D 打印建筑结构材料的性能研究[J]．工程建设与设计，2016(7): 52-54．

[10] 刘福财．一种用于 3D 打印的高性能粉末混凝土[P]．中国，201510375110，0.2015.10.07．

[11] 马义和．一种可用于 3D 打印的混凝土材料及其制备方法[P]．中国，201510228281.0，2015.08.26．

[12] 范诗建，杜骁，陈兵．磷酸盐水泥在 3D 打印技术中的应用研究[J]．新型建筑材料，2015(1): 1-4．

[13] 蔺喜强，张涛，霍亮，等．水泥基建筑 3D 打印材料的制备及应用研究[J]．混凝土，2016(6): 175-180．

[14] 荷兰 3D 打印大楼开工将成为世界首栋打印建筑[EB/ OL]. http://www.jfdaily.com/life/new/201404/t20140403_229582. html?prolongation=1, 2014-04-03/ 2016-09-18．

[15] 马义和．3D 打印建筑技术与案例[M]．上海：上海科学出版社，2016: 68-88．

[16] 盈创全球首个“3D 打印”4A 景区基础设施环保公厕亮相中国[EB/OL］．http://www.wtoutiao.com/p/3e4vDym.html，2016-9-11/2016-9-18．

[17] 3D打印别墅亮相山东滨州．中式装修风格引关注[EB/ OL]. http://news.to8to.com/article/126214.html，2016-9-9/2016-9-18．

[18] 揭秘全球首栋整体 3D 打印的别墅[EB/OL］．http://live. sina.com.cn/zt/l/v/news/3dhou2016/,2016-8-31/2016-9-18．

［通讯地址］重庆市沙坪坝区沙正街学府小区 5-2（401122）

Research progress of 3D printing technology in building field

Lin Zonghao, Shi Congli, Chen Jing
(Chongqing Construction Engineering Building Materials & Logistics Co., Ltd., Chongqing 401122)

3D printing technology is a new technology rapid developed in recent years, not only have achieved great success in field of machinery, medicine, but aslo it have some development in building field. This article focuses on building 3D printer and building materials in building 3D printing technology and 3D building printing examples, expound the development and latest progress of building 3D printing technology at home and abroad. We discussed the currently question that faced with building 3D printer and building materials, and then we analyzed and proposed the possible research directions in the future.

3D printing technology; building 3D printer; building materials; 3D building printing examples

林宗浩（1988—），男，硕士，工程师。研究方向：新型建筑材料技术研究与应用。