3D打印技术在建筑行业的研究、应用现状与展望

黎家昕 王金晶 吴连铭 罗川旭 姚昊翊

摘 要：3D打印是一种以三维计算机模型为模板，通过逐层叠加的方式来堆砌出三维型体的快速成型技术，目前在建筑行业中已有很多地区尝试。本文重点从以下三方面介绍了挤压式3D打印在建筑行业中的研究与应用现状：（1）建筑设计与施工，包含装配式打印、整体式打印和群组机器人集合打印装配;（2）建筑材料，包含水泥基材料在增加强度、硬度、耐久度、可打印性等方面的研究;（3）建筑装饰与装修，包含现代建筑装饰装修和古建筑修复与数字化信息库的建设。通过分析3D打印技术在工程建造领域中的技术欠缺、管理不到位等问题，总结了3D打印建筑在工业化发展过程中需要应对的技术、管理层面的挑战。

关键词：3D打印技术;3D打印建筑;建筑设计与施工;3D打印建筑材料;3D打印建筑装饰与装修;古建筑修复

3D打印是一种将材料逐层堆积并黏合成实体的快速成型技术[1]，由于其层层叠加的加工特点又被称为增材制造[2]。该技术诞生于1984年，经历了几十年的迅速发展，3D打印渐渐进入了我们的日常生活，目前已被广泛应用于医疗、建筑、生物、食品、服装设计、文物保护等领域。3D打印建筑技术最早是美国学者Joseph Pegna[3]提出的，它是一种按照预先设计的建筑模型和程序，用特制的打印“油墨”—建筑材料—通过机器设备智能“打印”出来并逐层累加，从而达到建筑建设标准且具有实用功能的建筑的技术。与传统建筑工艺相比，3D打印技术具有满足复杂的多样化建筑外形、施工周期短、施工安全、节约劳动力、降低成本、对环境友好等优势[4-5]。3D打印技术的引入，把建筑业带入了数字领域，它将建筑设计、施工、项目管理、装备、新型材料、应用融合等综合为一个新的体系，可快速建造出各种传统建筑工艺不易建造甚至无法实现的新型建筑结构。

本文结合3D打印建筑技术进展，介绍3D打印在建筑设计与施工、项目管理、建筑装饰装修和古建筑修复等领域的典型应用，并指出3D打印今后在建筑行业需要面对的挑战。

1 建筑设计与施工

对于建筑师来说，可以创建复杂外形的建筑是3D打印最大的优势[6]。例如逐步成熟的非线性建筑，依靠自由多变的外形特征焕发了城市新的活力[7]，但是它复杂的外形使得施工中定位、模板安装、支模架搭设有很大困难。如今3D打印建筑的兴起和云计算的到来，鼓舞着勇于创新的建筑师们继续进行非线性建筑的深化应用[8]，为自由建筑外形的进一步发展提供了便捷条件。

1.1 装配式打印

预制装配式的3D打印建筑是预先在电脑中将三维建筑模型按照不同的结构或受力情况划分成多个部分，在工厂分别打印完成后再运至现场组装[9]。与传统预制装配式建筑不同的是，预制板可以直接打印出不同的肌理而不需要后期美化加工（如图1盈创集团的不同肌理板），给建筑外观带来了新的可能。

2021年8月，位于荷兰埃因霍温（Eindhoven）的3D打印房屋将迎来第一批租户。这是5栋独立的单层出租房屋，外形看起来像一块大石头，使人眼前一亮。建筑面积94平方米，有宽敞的客厅，两间卧室。房屋由24个逐层打印的混凝土部件组成（见图2），这些工厂里打印好的部件通过卡车运到施工现场装配，最后安装屋顶和窗框并完成整栋房屋的建造（见图3），所有的家具、装饰依然为传统施工技术（见图4）。这些3D打印混凝土房屋有超厚的隔热层，并且与城市供暖系统相连，非常舒适且节能。

除了国外的飞速发展，我国的北京华商陆海科技有限公司也已推出了适用于装配式建筑的龙门式建筑3D打印机，既轻便又便宜，用来建造数字化设计、工厂化生产、装配式组装的3D装配式建筑。施工过程中不受季节影响，需要的建筑工人数量很少，建筑质量得到提升的同时还大大缩减了施工周期。与传统“装配式建筑”将事先做好的梁、板、柱、墙等建筑构件在施工现场进行搭积木式拼合的产业模式不同，华商陆海3D装配式建筑主要是基于3D打印建筑技术，以“单体建筑”为单位在工厂进行定制化打印（见图5），最终在现场装配而成，解决了传统“装配式建筑”墙面开裂、板材拼接缝隙不均、隔音效果不佳、保温隔热效果差等难题。

1.2 整体式打印

不同于装配式的3D打印建筑技术，整体式打印不需要在工厂里打印好独立的构件再运到建筑基地进行组装，而是直接在现场建造，整个建筑用打印机在原点一次性打印建造完成。2017年，俄罗斯建造了一座占地37平方米的房子（见图6），只花了不到一天就建造完成，成本7万多元人民币。它是由旧金山ApisCor公司生产的圆形3D打印机建造完成（见图7）。这款紧凑型的3D打印机便于运输，它有一个旋转底座和起重机般的机械手臂，底座部分用于存储、供应原料，360°旋转的活动手臂负责搭建，因此可以实现比自身更大的打印尺寸。

北京华商陆海科技有限公司从2016年的以钢筋混凝土为原材料的“现场整体打印”的示范建筑，到2018年打印的正式商用建筑“新温莎城堡”（图8），向我们展示了我国3D打印建筑技术的快速发展。“新温莎城堡”面积超过600平方米，是由华商陆海自主研发的“建筑3D打印机”完成的，在不到2个月的打印工期内，建筑3D打印机喷射出超过500吨的混凝土，实现了风格迥异的多层建筑的现场整体打印。

2019年11月，中建股份技术中心和中建二局华南公司联合完成了一栋7.2米高，总面积230平方米的双层办公楼的打印（见图9），打印设备由中建机械公司设计制造，打印材料、设备、工艺及控制软件均是自主开发，建筑3D打印技术利用电脑智能控制，全部使用机械自动化操作，可以做到24小时不间断打印，主体打印只需3天，节约材料超过60%，建好的房屋寿命可达50年。打印出的中空墙壁还可以填充保温材料达到节能降噪的目的（見图10）。

2 建筑材料

3D打印建筑物使用的建筑材料是通过3D打印机的传输管和喷嘴挤出的“油墨”，这种特殊“油墨”主要由胶凝材料、各种粗细骨料、外加剂、特种纤维等[10]混合制成。3D打印机喷嘴结构复杂，操作不当容易堵塞，因此，3D打印建筑材料的配制要求比传统建筑材料要高。

水泥基材料作为主要的3D打印建筑材料[11]，是基于流变学原理及水泥水化原理实现水泥基材料的3D打印[12-14]。其研发[15-17]包括：通过添加不同配比的外加剂，控制水泥基材料的流变性和收缩率，增加水泥基材料的强度、韧性和耐久性，提高打印材料的层间黏结性能;通过选用不同的骨料，减轻结构自重[18];在管理上制定打印材料的性能评价方法等。

2.1 增加强度、硬度和耐久性

3D打印建筑所用的水泥基材料要确保硬化后具备一定的强度、硬度和耐久性，相邻两层材料之间要能紧密黏结成一个整体[19]。一般认为，适合3D打印建筑材料添加的骨料应为粒径10毫米以下的近似球型，具有高强度低密度的特性[20]。

Weger D等[21]通过测试发现采用粉末黏结工艺成型的3D打印水泥基材料抗冻融性能满足标准要求;刘致远[22]针对寒冷条件下水泥基材料强度发展规律及抗冻耐久性进行了研究，总结了添加不同外加剂后材料抗压、抗折性能的变化;曹香鹏等[23]通过在添加了矿物掺合料的复合胶凝材料中掺入中空玻璃微珠，制备出了抗压、抗折强度适宜的建筑材料;王里等[24]制备了环氧树脂改性砂浆和氯丁橡胶改性砂浆来增强相邻材料层的界面黏结性能，增强打印建筑的整体稳定性;Zhang等[25]研究发现，3D打印水泥基材料具有较高的抗压强度和抗弯强度，较低的干燥收缩率，较好的抗硫酸盐侵蚀和碳化能力，但抗冻害和氯离子渗透能力较低。

2.2 优化可打印性能

相对于传统建筑用混凝土，3D打印用混凝土需要有适宜的流动性，不堵塞管道和喷嘴，并能短时间内凝结。若流动性过大，凝结速度慢，会导致在3D打印过程中材料无法堆叠;而流动性过小，则会导致3D打印机喷头的堵塞。因此，研发新型复合外加剂来控制水泥基材料的硬化时间是3D打印建筑材料研究的重要方向[26]。

学者们[27-29]的研究表明，掺入减水剂使混凝土具有较好的流动性已经成为混凝土获得较快初凝能力的一种重要方法;LE T T等[30-31]研究发现，降低水胶比、增加粉煤灰掺量有助于降低打印过程中混凝土浆料的收缩率;范诗建等[32]则提出添加改性剂的磷酸盐水泥具有快凝、早强、黏结强度高和生物相容性好的优点;薛龙[33]研究发现，添加促强减缩剂、无碱液体速凝剂以及硫酸铝溶液能够明显缩短水泥的凝结时间;使用硫铝酸盐水泥和铝酸盐改性硅酸盐水泥能获得早强快凝的3D打印混凝土[34-35];Zhang Y等人[36]设计了一种在输送过程和挤出时具有良好流动性的水泥浆体;李艳玲[37]研究了添加不同化学外加剂的水泥基建筑砂浆性能后发现，3D打印建筑砂浆降低了不能振捣夯实材料所造成的收缩变形，且凝结时间可控，可挤出性能与力学性能较好;高效减水剂和缓凝剂的最佳掺量可改善材料流变性能。

据统计，我国由于城市建设的需求，传统的建造方式每年产生的建筑废料高达20亿吨。随着3D打印建筑技术的推广和打印“油墨”的研发，使用建筑废料进行打印得到了研究者的关注。通过这种技术，可以回收大量的建筑废料有效利用后，变成建设科技智能城市的重要物资，不但节省城市建设的费用，也极大地降低了建筑垃圾对城市的环境污染。另外，研究人员也在积极地研制开发其他新型材料，如：砂材料、生物纤维材料和智能材料等。

3 建筑装修与装饰

3D打印技术可以建造一些形态复杂的产品，使造型艺术不再受限于制造技术，促使设计师将设计重点更多地放在产品的外观创新上，表达自己天马行空的思路[38]。目前，一些3D打印产品设计网站的出现，客户可以很方便地与设计师沟通后购买个性化设计，使客户自由定制建筑内装饰装修产品[39]。由于打印室内装饰使用的材料性能要求（如强度等）比建筑主体低，能更好地展现出3D打印技术在复杂曲面造型中精细、高效、低成本的特点。

法国设计师Franois Brument和 Sonia Laugier的作品“Habitat imprimé”以一种全新的思维突破了传统的室内设计（图11），依据不同家具和设备衍生出变化的墙壁厚度，通过不同材料（塑料、混凝土、砂石）的叠加，打造出一个与众不同的个性化空间，或许将成为未来小户型装饰装修的另一种发展趋向;上海东海广场SOHO售楼处室内装饰和一体化完整家居打印的自由曲面则处处散发着科幻的气息（图12）。

除了现代化的装饰与装修，3D打印技术对于传统建筑装饰技能的保留与传承也起着积极的推动作用。我国江西乐平素有“中国古戏台博物馆”之美誉，古戏台建筑营造技艺入选为国家级非物质文化遗产，其精美的木雕让人叹为观止。现今传统工艺技术的学习传承者愈来愈少，以致木雕、石雕等很多传统技艺在流失，据许飞进团队[40]考察，现存的乐平雕刻工匠正趋于老龄化，年轻的传承人严重缺乏;另外，大部分工匠技艺不传外姓徒弟的传统方式增加了技艺传承断层的危机。于是，研究者借助红外线扫描并建模的技术储存下数字化的雕刻数据，最终建立数据库加以整理和保存，从而将高超的传统技艺留存下来，需要时再通过3D打印的实体模型来学习制造。此外，刘新业等人[41]依照影像数据采集、数字建模、修复模型细节、场景渲染的步骤对沈阳北塔建筑纹饰进行修复，最终通过3D打印技术实现了纹饰的复原，为展现地域文化带来了可行的新模式。值得关注的是，在古建筑建造和保护的研究中通过红外线扫描技术进行古建筑数字化建模[42-43]、建立古建筑常用的3D构件库并进行3D打印的技术[44-45]已在古建筑装饰构件的替换中取得突破，但在受力復杂的梁柱构件上进行替换还在试验当中[46]。

结语

3D打印建筑具有节约资源、降低成本、工期较短、设计灵活等优势，目前十分适用于紧急安置等住房，在农村和受灾重建活动板房中具有其优势。同时，由于3D打印建筑在技术上仍然有欠缺，管理上也还不完善，在未来需要面对以下挑战：

（1）技術发展。3D打印因其材料层层叠加、架空部位缺乏支撑和受建造环境的影响原因，以目前的技术在混凝土中配筋还有一些障碍[47];因此，要提高3D打印建筑的整体性和抗震性，还需要在创新结构设计和新型材料的研发方向拓展。同时，有针对性地促进计算机辅助设计、激光技术、AI技术、数控技术、材料工程等多项技术集成化发展才能加快3D打印建筑的推广。此外，探索由若干小机器人（打印机）在三维模型中协调执行复杂、庞大建筑的打印任务，是未来3D打印建筑的发展方向之一，机械和软件集成开发对于小型群组机器人集合打印并提高打印精度的研发有着强力的推动作用。

（2）制定评价体系和建设规范标准。对于3D打印建筑的整体抗震性、防火性、使用年限的研究较少，与施工组织管理相关的规范较少，建筑各构配件的刚度、强度的质量标准缺乏[48]。目前，美国的材料与试验协会（ASTM）已经有了建筑3D打印的技术标准，我国关于挤出工艺的3D打印建筑技术及其水泥基材料也已经发布了《混凝土3D打印技术规程》（T/CECS 786—2020），目前还有多部关于3D打印水泥基材料工作性能及力学性能的行业标准或协会标准正在编写。可见3D打印建筑技术相关标准体系正在逐渐建立，随着大量3D打印建筑的研究应用结果不断完善和相关标准的设立，3D打印技术将会走向市场化之路。

（3）建筑项目管理的变革。希望建筑设计师们能利用高度的设计自由重塑人们对建筑的思考方式[49]，也为项目经理等管理层把权力下放，形成自我监管的分散化管理方法指明了方向[50]。行业内的利益相关者（建筑师、工程师、客户、开发商、分包商、材料供应商乃至政府主管部门等）需要分担建造技术创新后的风险;除此以外，传统的建筑项目工业化是利用较高程度的预制和场外生产的方法，将增值活动转移到供应链的上游[51-52]，而3D打印技术的使用扭转了这一趋势，将增值活动重新转回建筑工地，只是将复杂部件的生产转移到场外，这对于建筑工业化的发展方向将会有极大的影响。

参考文献：

[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，2013，49（6）：129-135.

[2]GIBSON I，ROSEN D W，STUCKER B.Additivemanufactur-ing technologies[M].New York：Springer，2014.

[3]PEGNA J.Exploratory investigation of solid freeformconstruction[J].Automation in construction，1997，5（5）：427-437.

[4]王子明，刘玮.3D打印技术及其在建筑领域的应用[J].混凝土世界，2015（1）：50-57.

[5]王香港，王申，贾鲁涛，等.3D打印混凝土技术在新冠肺炎防疫方舱中的应用[J].混凝土与水泥制品，2020（4）：1-4.

[6]Hager I，Golonka A，Putanowicz R.3D Printing of Buildings and Building Components as the Future of Sustainable Construction？[J].Procedia Engineering，2016，151：292-299.

[7]李国勇.非线性建筑从设计到施工难点及解决方案——以平潭海岛科学博物馆项目为例[J].安徽建筑，2018，024（003）：142-143.

[8]秦正.非线性建筑设计[J].建筑工程技术与设计，2016（20）.

[9]章国琴.建造语境下3D打印建筑技术绿色应用的瓶颈及价值思考[J].建筑技术，2016，47（10）：880-882.

[10]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（06）：1583-1588.

[11]张翼，朱艳梅，任强.3D打印建筑技术及其水泥基材料研究进展评述[J].硅酸盐通报，2021，40（06），1796-1807.

[12]WANGLER T，ROUSSEL N，BOS F P，et al.Digital concrete：a review[J].Cement and Concrete Research，2019，123：105780.

[13]ROUSSEL N.Rheological requirements for printable concretes[J].Cement and Concrete Research，2018，112：76-85.

[14]DE SCHUTTER G，LESAGE K，MECHTCHERINE V，et al.Vision of 3D printing with concrete：technical，economic and environmentalpotentials[J].Cement and Concrete Research，2018，112：25-36.

[15]LIM S，BUSWELL R A，LE T T，et al.Developments in construction-scale additive manufacturing processes[J].Automation in Construction，2012，21：262-268.

[16]BUSWELL R A，LEAL DE SILVA W R，JONES S Z，et al.3D printing using concrete extrusion：a roadmap for research[J].Cement and Concrete Research，2018，112：37-49.

[17]ASPRONE D，MENNA C，BOS F P，et al.Rethinking reinforcement for digital fabrication with concrete[J].Cement and Concrete Research，2018，112：111-121.

[18]马国伟，柴艳龙，王里，等.3D打印陶砂轻质混凝土的制备与力学性能测试[J].实验力学，2020，35（1）：58-66.

[19]LE T T，AUSTIN S A，LIM S，etal.Hardened properties ofhigh-performance printing concrete[J].Cement and ConcreteResearch[J].2012，42（3）：558-566.

[20]耿会岭，杨政，袁雅贤.3D打印在建筑领域的应用[J].混凝土与水泥制品，2019，No.279（07）：38-42+87.

[21]Weger D，Lowke D，Gehlen C，et al.Additive manufacturing of concrete elements using selective cement paste intrusion——effect of layer orientation on strength and durability[C]// 1st International Conference on Concrete and Digital Fabrication Digital Concrete 2018.2018.

[22]刘致远.3D打印水泥基材料流变性能调控及力学性能表征[D].中国建筑材料科学研究总院，2019.

[23]曹香鹏，黄明洋.玻璃微珠对OPC-SAC体系复合胶凝材料性能的影响及在3D打印中应用[J].混凝土与水泥制品，2020（2）：1-4.

[24]WANG L，TIAN Z H，MA G W，etal.Interlayer bonding improvement of 3D printed concrete with polymer modifiedmortar：Experiments and molecular dynamics studies[J].Cementand Concrete Composites，2020，110.

[25]ZhangY，Zhang Y，Yang L，et al.Hardened properties and durability of large-scale 3D printed cement-based materials[J].Materials and Structures，2021，54（1）：1-14.

[26]文俊，蒋友宝，胡佳鑫，等.3D打印建筑用材料研究，典型应用及趋势展望[J].混凝土与水泥制品，2020，290（06）：52-55.

[27]赵鹏辉，徐清.3D打印混凝土建造工艺及原材料探析[J].中国水运（下半月），2018（8）：108.

[28]乔星宇，李韵通，潘宁.3D打印建筑混凝土配合比设计研究[J].现代装饰（理论），2016（6）：240-241.

[29]王栋民，熊卫锋，左彦峰，等.聚羧酸盐高性能减水剂的制备，作用机理及应用现状[J].混凝土，2008（5）：64-67.

[30]LE T T，AUSTIN S A，LIM S，etal.Hardened properties ofhigh-performance printing concrete[J].Cement and ConcreteResearch[J].2012，42（3）：558-566.

[31]LE T T，AUSTIN S A，LIM S，etal.Mix design and freshproperties for high-performance printing concrete[J].Materialsand Structures，2012，45（8）：1221-1232.

[32]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，2015，42（1）：1-4.

[33]薛龙.3D打印水泥基材料的制备与性能研究[D].北京：北京工业大学，2017.

[34]張大旺，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）：1583-1588.

[35]高磊，罗易，许蒋鹏，等.桩基工程3D打印混凝土材料工程性质研究[J].河北工程大学学报：自然科学版，2018，35（4）：21-24.

[36]Zhang Y，Zhang Y，Liu G，et al.Fresh properties of a novel 3D printing concrete ink[J].Construction and Building Materials，2018，174：263-271.

[37]李艳玲.基于化学外加剂的3D打印建筑砂浆材料性能研究[J].工业加热，2021，50（7）：4.

[38]钟光明，侯珂，朱嘉琪.快速成型技术在仿生家具设计中的应用研究[J].家具与室内装饰，2019（02）：84-85.

[39]王芳君，夏溢涵，邓德儒.3D打印技术在室内设计中的应用[J].家具与室内装饰，2014（08）：14-15.

[40]许飞进，李昌鹏，张霄霄.3D打印技术在古建筑保护中的运用[J].南昌工程学院学报，2018，037（001）：58-62.

[41]刘新业.3D打印技术在古建筑纹饰复原中的应用实现[J].山东工业技术，2016（12）：234.

[42]何原荣，陈平，苏铮，等.基于三维激光扫描与无人机倾斜摄影技术的古建筑重建[J].遥感技术与应用，2019，34（6）：1343-1352.

[43]许睿.明清古建筑木构件信息模型建立与利用的研究[D].北方工业大学，2020.

[44]王茹.古建筑數字化及三维建模关键技术研究[D].西北大学，2010.

[45]徐超利.古建筑3D打印中支撑结构生成算法研究[D].西北大学，2017.

[46]许飞进，李昌鹏，张霄霄.3D打印技术在古建筑模型中的实验设计与分析[J].实验室研究与探索，2018（6）：181-184.

[47]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）：141-144.

[48]丁烈云，徐捷，覃亚伟.建筑3D打印数字建造技术研究应用综述[J].土木工程与管理学报，2015（03）：1-10.

[49]Gardiner J B.Exploring the emerging design territory of construction 3D printing-project led architectural research.2011.

[50]Hofmann E，M Rüsch.Industry 4.0 and the current status as well as future prospects on logistics[J].Computers in Industry，2017，89：23-34.

[51]Pan W，Gibb A G F，Dainty A R J.Perspectives of UK housebuilders on the use of offsite modern methods of construction[J].Construction Management & Economics，2007，25（2）：183-194.

[52]ThuesenC，Hvam L.Efficient on-site construction：learning points from a German platform for housing[J].Construction Innovation，2011，11（3）：338-355.

基金项目：2021年云南省大学生创新创业训练项目“智增3D 打印工作室”（项目号：DC202110681039X）;2021年云南师范大学“课程思政”建设项目《建筑制图》（项目号：2021kcsz26））;2021年云南省大学生创新创业训练项目“基于光伏热解农业废弃物制备生物炭系统设计”（项目号：S202110681021S）

作者简介：黎家昕（2001— ）， 男，汉族，广东恩平人，本科，研究方向：文物保护与3D打印技术。

*通讯作者：姚昊翊（1989— ），女，汉族，云南玉溪人，硕士，讲师，研究方向：建筑节能与太阳能光热利用。