【解析】3D建筑打印技术研究综述

在建筑行业，3D打印技术顺应产业革命的发展，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无法生产的新型材料，这将会带来全球制造业经济的重大变革。 尽管过去20年里已经开发了一些快速成型的方法，且在很多领域已经有了基于这类方法的成功应用实践（包括工业加工、医疗、玩具制造等），这些扩展应用的成果为3D建筑打印技术提供了良好的研究基础，但国内外目前研究3D建筑打印的专家学者并不多，大多数分层制造方法受限于可用建筑材料的匮乏。

1 3D建筑打印的相关概念
3D建筑打印是利用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，这种工艺原理叫做增材制造，通过逐层累积最终形成一个成品。其构成和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的。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。一个房子或者一群房子，即使每幢建筑形态各异，都可以通过一个运行程序来自动构建。
与传统施工工艺相比，3D建筑打印技术的优势主要有：
①施工速度至少要快10倍，且建筑类型、复杂性等因素不会增加建设成本；
②由于全程由电脑程序操控，直接基于CAD设计等的施工建造只产生5~10mm的误差，该技术允许的精度和设计自由性在过去闻所未闻，建筑师和工人间的问题将不再阻碍建筑师所要表达的设计想法；
③不需要模板，定制型强，可塑性好，可打印出任何细节特点与复杂曲面、管道等；
④可以使消费者根据自己的需求量身定制产品；
⑤无需人工干预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；
⑥可以就地取材，极大节省建造的运输成本；
⑦由于是整体结构成形，建筑抗震性能大大增强；
⑧可以适应恶劣环境，如在高原、雪山、沙漠、海洋、甚至地外星球等人为施工条件极其恶劣的环境下进行施工建造；
⑨可以运用于 古文物保护中，精准恢复古建筑的残损、遗失部分；
⑩可以降低建筑粉尘污染，减少雾霾，保护环境实现绿色环保。
2 3D建筑打印工艺研究现状分析
2.1 国外研究现状
（1）D-Shape打印工艺及应用
2010年，意大利籍Enrico Dini教授发明了世界上第一台以细骨料和胶凝料为打印材料的数字打印机，名为D-Shape，可以用建筑材料打印出高4m的建筑物。这台打印机的底部有数百个喷嘴，可喷射出镁质黏合物，在黏合物上喷撒沙子可逐渐铸成人造砂岩，通过一层层的黏合物和沙子结合，将沙子粘成像岩石一样坚固的固体，并形成特定的形状，最终形成石质建筑物（图1~4）。

D-Shape打印机沿着龙门架支撑的轴梁在x、y轴上往返移动，打印机喷头每打印一层时仅形成5～10mm的厚度。打印机操作可由电脑CAD-CAM软件操控，建造完毕后建筑体的质地类似于大理石，比混凝土的强度更高，并且不需要内置钢筋进行加固。 目前，这种打印机已成功地建造出内曲线、分割体、导管和中空柱等建筑结构。由此不难看出，普通的水泥混凝土可能已经不能适应建筑3D打印技术的需要，混凝土组成材料和搅拌方式均需改变，以适应3D建筑打印技术的需要。

恩里科?迪尼表示，这种打印机比常规建筑方法要快得多，而且所使用的原料也只有原来的1/3到1/2，更重要的是几乎不会产生任何废弃物。Enrico Dini称，他已经在和建筑大师诺曼?福斯特、阿尔塔空间公司等进行讨论，希望能设计出一种可以 使用月球土壤的打印机，届时在月球上就可以使用这种打印机快速地建造出人类的月球基地。

D-Shape打印机已经参与了多项3D打印房屋项目，其中包括正在争夺“世界上第一幢3D打印的住房”名头的“Landscape House”模拟莫比乌斯环（图5）。2013年1月，该项目由荷兰阿姆斯特丹建筑大学的建筑设计师JanjaapRuijssenaars设计，该工程预计在2014年完成，并且将参加Europan竞赛。

这里“D-Shape”打印机先用沙和无机粘合物对建筑框架进行逐块打印，每一块的尺寸都达到了6m×9m， 然后组装到一起，再用纤维增强的水泥材料对框架进行填充，最终完成一幢两层房屋的建造。JanjaapRuijssenaars尝试了混凝土打印复杂曲线形体，并且尝试了传统技术和新的3D打印技术相结合，例如端墙为玻璃和钢结构，且地板、侧墙和天花板组成箱体结构让这个结构变得更坚固。
（2）建筑轮廓工艺及应用
南加州大学的BehrokhKhoshnevis教授的建筑轮廓打印方法是一种基于混凝土的自动化施工方法。2004年，该项技术就已经能够“打印”出5英尺（约合1.52m）长、3英尺（约合0.91m）高、6英寸（0.15m）厚的建筑部件。2012年，BehrokhKhoshnevis教授表示轮廓工艺打印出来的墙是空心的，其间布置桁架状构造（图6），这样不但大大减轻了建筑本身的重量，而且还可让空隙处填充保温材料，让其成为整体的自保温墙体。同时预留“梁”与“柱”浇筑的空间，并处理各种基础设施管道和电气布置。

图5 Landscape House

目前，该工艺可以做到24小时内打印出大约232m2的两层楼房。轮廓设计（CC）是一种计算机自动施工方法，它能提供快速生产，显著减少浪费，大量地节省成本。要在月球上 长时间停留，需要足够的辐射防护措施，这取决于能否在月球上建造结构，最好是能利用月球的资源并且在人类登陆之前完成。为此他提出一种月球轮廓工艺系统的概念设计，可以利用基于月壤的高强混凝土（包括玻璃增强杆或从表层土中提取的纤维）在月球表面自动完成整体结构建造。

图6 轮廓工艺打印出的墙体

轮廓工艺有两种打印方法：
一种方法是用一个大型龙门机器人完成每一层的打印任务，然后把各层叠加起来构建整个房子（图7~8），但这种方法需要大量的预备场地和一个大型超级机器人。
另一种方法是同时使用多个移动机器人进行协调运作。采用移动机器人方案有几个优点，包括便于运输和安装、并行施工和可扩展设备数量。
墙体结构可采取多种空腔墙体形式，适应于打印机器人的快速运作，创造出完全不同于传统墙体形式的新的节能、 高强的墙型材，并节省更多的材料。 相比于传统的建造方式，轮廓工艺可以节省相当多的时间和成本。

图7 轮廓工艺大型龙门机器人施工方案

建造成本取决于机器所消耗的时间和能源。总工程量可以通过已知的打印路径来计算，先把建筑分割成若干层，然后再把每一层转换为一个由边线和顶点组成的模块。打印的轨迹优化配合程序优化，路径优化和打印机速度的提升在降低打印时间上很有潜力。针对不同环境和受力要求的墙体，采取有针对性的、不同的墙体形式可以节省更多时间，将打印机挤压喷头设置多元化可以提高效率，优化建造模式。

图8 轮廓工艺移动机器人施工方案

（3）尼龙纤维激光烧结工艺及应用
在英国，Softkill Design正着手使用3D打印技术建造大批量民用住房。这些房屋以骨骼架构为原型，以纤维尼龙为结构制作所有的部件需要三个星期，组装起来则只需要一天。这种3D打印房屋概念将是房屋建造的革命性改变，甚至能够最终 解决英国住房危机。2012年，伦敦设计工作室Softkill Design 的设计师们运用3D打印机打印出了一个1：33比例的房子模型 ProtoHouse1.0（图9），它并非采用实墙建造模型，而是采用纤维材料打印而成，外形似如洞穴。

图9 ProtoHouse1（1：33模型）

ProtoHouse1.0共分30节段打印，各房屋组件是场外制造的，在3D打印机实验室使用激光烧结生物塑料，并添加金属等较坚固的物质制成。打印好之后运送至建筑基地拼装，用尼龙搭扣或者像钮扣一样的扣合件进行固定。这种方式比现场采用沙子和混凝土3D打印制造的效果更好。截至2013年3D打印制造的纤维结构只有0.7mm厚。而下一步，在前者的研究和开发的基础上，将打印出一幢4m×8m的单层建筑ProtoHouse2.0。建造3D打印房屋的成本并未公布，但雷特辛表示，伴随着3D打印行业的快速发展，将逐步降低制造成本，这意味着不久的将来，建造经济型3D打印房屋将成为现实。
（4）粉末压实与蒸汽固化工艺
恩斯赫德（荷兰东部城市）的学者A. Budding在粉末压实的快速成型技术方面进行了一些研究。在这类特殊设备上的研究，马里博尔大学的DanijelRebolj提出一种新的建筑技术概念，可以在纳米级的层次进行施工追踪。美国华盛顿大学的Ben Utela等在建筑3D打印的工艺方面提出了5个步骤：材料配合、粘结剂选择、粘结配方和测试、打印流程规范、后期处理等。泰国国家金属和材料技术中心的R. Chumnanklang等研究低成本的水溶性天然高分子粘结剂、羟磷灰石颗粒喷雾干燥技术在3D打印中的应用。

纽约伦斯勒理工学院机械工程系的Joseph Pegna研究了新的加法制造的3D打印对于建筑施工自动化的效果，研究蒸汽固化工艺，评估了这种大型建筑结构的固体成型技术的前景。麻省理工学院的史蒂文?基廷等提出了使用机器人技术用复合材料制造和复制的3D打印。英国的拉夫堡大学土木与建筑工程学院的T.T. Le 等研究了用3D打印技术通过9mm直径喷嘴打印逐层累积的结构构件。这不同于传统的施工，密实分层过程中的混凝土达到很高的拉压强度。
2.2 国内研究现状
2014年4月，10幢3D打印建筑在上海张江高新青浦园区内展出。这些建筑依据电脑设计方案的图纸，经一台大型的3D打印机层层叠加喷绘而成，整个建筑过程仅花费24小时，且其墙体材料用的是处理后的建筑垃圾。研发者马义和表示，其3D打印核心是油墨、喷嘴和材料供应系统。其打印材料的核心技术是以高标号水泥与玻璃纤维为主，依靠自主研发的打印机设备连续线性挤出打印而成，比传统钢混建筑强度更高。 马义和的团队还研发了一种新型生态石材SRC（特种玻璃纤维增强复合水泥），接着又在FRP（纤维增强复合塑料）有所突破。正是这些技术为其3D打印打下良好基础。值得一提的是，这些3D打印建筑原材料通过就地取材，回收附近建筑垃圾、工业垃圾和尾矿，通过技术处理、加工、分离，实现建筑垃圾再利用。

图10 上海张江高新青浦园区内展出的3D 打印房屋构架

3D打印技术的发展将使大规模的个性化生产成为可能，并会创造出大量的传统工艺无法生产的新型材料，这将会带来全球制造业经济的重大变革。尽管过去20年里已经开发了一些快速成型的方法，而且在很多领域已经有了基于这类方法的成功应用实践，目前大多数分层制造方法受限于可用建筑材料的匮乏。此外，它们还严重受制于材料的低沉积率，这使得这些方法只能适合小的工业零部件。因此，目前3D建筑轮廓打印可以说是唯一适用于建设大型复杂建筑的新的建造方法。

综上所述，虽然国内外学者对3D打印材料有了一定的探索并基于材料特性摸索了相应的打印模式，但是在适应多元材料的打印设备系统和工艺流程系统的研究上显得较弱，都是各成一家，缺少交流和融合。如Enrico Dini对细沙和镁基胶的运用，是基于胶凝材料和细骨料混合硬化的的快速成型原理，也因此探索出能够打印复杂形体的D-Shape打印设备。BehrokhKhoshnevis在混凝土配方材料的快速成型打印技术上研究较多，并探索了多种适合混凝土打印机的屋盖形状。其他基于塑料或纤维材料而产生的打印工艺又各不相同，不同材料衍生的不同工艺直接的配合与融合的过程还有待研究。 其次，国内外学者研究建筑3D打印已经进入较快的发展阶段，研究的初步成果较多，但是缺乏系统、完善的方法体系。现在全世界采用3D打印技术已完成实际建设的项目更是少之又少。

D-Shape打印机和轮廓打印机技术的研究为我们提供了一个很好的参考方法，在这个基础上，若将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。