浅谈3D打印建筑技术的应用

科　技　前　浅谈３　Ｄ打印建筑技术的应用　上海建材集团节能环保科技有限公司　上海交通大学船舶海洋与建巩Ａ－ｋ工程学院　杨健沿　新　余小寅　胡　志　闻　信　在２００９年ｌ２月举行的哥本哈根大会上，我国已　将绿色建设列入工程计划，郑重地向世界作出承诺，中　国到２０２０年单位ＧＤＰ二氧化碳排放量将比２００５年　下降４０％　５０％。而全力推动建筑工业化，实现建造方　式的转型升级，是促进绿色建设发展的最有效的途径　之一。近年来，“第三次工业革命”的重要标志之一的　３Ｄ打印技术，作为具有先导性和前沿性的新兴技术，　极大的改变了传统的生产制造方式。而３Ｄ打印技术在　建筑工程行业的运用——３Ｄ打印建筑技术，已成为建　筑领域一个重要的发展方向，对传统的工程建造方式　将会产生巨大的冲击与改变。　１　３Ｄ打印建筑技术　３Ｄ打印技术，又称“添加制造”技术（Ａｄｄｉｔｉｖｅ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＡＭ），是一种与传统的材料去除加工方　法相反的，基于三维数字模型的，通常采用逐层制造方　式将材料结合起来的工艺。　３Ｄ打印建筑是以砂浆、水泥及纤维等为打印材料，　通过３Ｄ打印技术打印出来的建筑物。３Ｄ打印建筑技　术作为新型数字建造技术，它集成了计算机技术、数控　技术、材料成型技术等，采用材料分层叠加的基本原理，　由计算机获取三维建筑模型的形状、尺寸及其他相关　信息，并对其进行一定的处理，按某一方向（通常为ｚ　向）将模型分解成具有一定厚度的层片文件（包含二维　ｌ１＿■■１．１　一　一　轮廓信息），然后对层片文件进行检验或修正并生成正　确的数控程序，最后由数控系统控制机械装置按照指　定路径运动实现建筑物或构筑物的自动建造。一个房　子或者一群房子，即使每幢建筑物形态各异，都可以通　过一个运行程序来自动构建。　２国内外３Ｄ打印建筑技术的应用及发展状况　２．１国外３Ｄ打印建筑技术的应用及发展状况　３Ｄ打印建筑起源于１　９９７年美国学者Ｊｏｓｅｐｈ　Ｐｅｇｎａ　提出的—种适用于水泥材料逐层累加并选择性凝固的自　由形态构件的建造方法。随着３Ｄ打印建筑的不断发展，　在国外３Ｄ打印建筑的技术也不断的日益完善与多样。　２００１年，美国南加州大学（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＳｏｕｔｈｅｒｎ　Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）Ｂｅｈｒｏｋｈ　Ｋｈｏｓｈｎｅｖｉｓ教授提出了称为“轮廓　工艺（ＣｏｎｔｏｕｒＣｒａｆｔｉｎｇ，ＣＣ）”的建筑３Ｄ打印技术，通过　大型三维挤出装置和带有抹刀的喷嘴实现混凝土的分　层堆积打印。２００４年，团队运用该项技术“打印”出５英　尺长、３英尺高、６英寸厚的建筑部件。２０１２年，团队打　印出空心墙体，其问布置桁架状构造，不但大大减轻了　建筑本身的重量，而且还可在空隙处填充保温材料，做　自保温墙体。目前，该工艺可以做到２４　ｈ内打印出约　２３２　ｍ　的两层楼房。　２００７年，英国Ｍｏｎｏｌｉｔｅ公司的意大利工程师Ｅｎｒｉ—　ＣＯ　Ｄｉｎｉ推出了一种新的建筑３Ｄ打印技术——“Ｄ型　（Ｄ—ｓｈａｐｅ）”，可用建筑材料打印出高４　１３１的建筑物。这　打印机的底部有数百个喷嘴，通过采用喷挤粘结剂来　选择ｆ生硬化每层砂砾粉末并逐层累加形成整体。近两　年来，团队也针对Ｄ型工艺技术用于月球基地的建造　进行了研究。　２００８年，英国拉夫堡大学（Ｌｏｕｇｈｂｏｒｏｕｇｈ　Ｕｎｉｖｅｒ—　ｓｉｔｙ）的Ｒｉｃｈａｒｄ　Ｂｕｓｗｅｌｌ教授与国际知名建筑设计公司　英国福斯特事务所（Ｆｏｓｔｅｒ＋Ｐａｒｔｎｅｒ）合作研发出一种新　型的混凝土３Ｄ打印技术，使用挤出性能可控的新型水　泥基浆体材料，该技术具有较高的三维自由度和较小　上海建材　的堆积分辨率。团队成功打印出包含精确定位孔洞的　混凝土面板及墙体等。　２０１２年，英国伦敦设计工作室Ｓｏｆｉｋｉｌｌ　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，它采用纤维材料打印而成，各房屋　组件由场外制造，在３Ｄ打印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　送至建筑基地拼装固定。而下一步，团队将在前者的研　究和开发基础上，打印出一幢４ｎｌ　ｘ８ｉｎ的单层建筑　Ｐｒｏｔｏｈｏｕｓｅ２．０　Ｐ３３　建　筑　与　装　饰　科陵前沿・断目离．＿ａ—————　厦　＿ｌ譬　■曩ｔ　荷兰的Ｕｎｉｖｅｒｓｅ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ建筑设计事务所在　２０　１　３年提出将以莫比乌斯环为原型利用３Ｄ打印技术建　造ＬａｎｄｓｃａｐｅＨｏｕｓｅ（　ｉＩ　｜Ｊ屋）。荷兰兰　圭　）；事务所（ＤＵＳ）的　建筑师正在利用一台名为ＫａｍｅＭａｋｅｒ的大型３Ｄ打印　‘建造”—栋住宅建筑——ｃａｎａｌＨｏｕｓｅ。荷兰的３Ｄ打印　创业公司（Ｍｘ３Ｄ）突破传统的３Ｄ打印思路，发明了外部　３Ｄ打印系统，打印了—座１５　Ｉｎ的钢制桥。英国的Ｓｏｆｔｋｉｌｌ　Ｄｅｓｉｇｎ项目、开源建造项目——ｗｉｋｉ　Ｈ０ｕｓｅ，打印虚拟体　育场的瑞典创新工作室——ｗｅＤｏ等都在从事３Ｄ打印　建筑的研究。　３４　２．２国内３Ｄ打印建筑技术的的应用及发展状况　国内部分高校对于３Ｄ打印建筑技术的研究基本　童　从２００９年开始，通过查阅资料了解得知国内高校对于　逝　３Ｄ打印技术的研究主要集中在三部分：（１）基于材料　－　可　分层叠加方法的研究；（２）由建筑设计理论驱动的数　痊　字建造研究；（３）以技术研究应用综述和相关理论为　审　主的研究。从目前的研究状况看，其中部分研究成果见　表１。　国内的企业对于３Ｄ打印建筑的研究重点主要为技　术的产业化应用探究，个别企业对于３Ｄ打印建筑技术　的研究起步较早，如上海盈创建筑科技有限公司，已经　取得了显著的研究成果，并将技术成果应用于市场。　从２００２年开始，上海盈创建筑科技有限公司前后　用了１２年时间，自主研发了１５０ｉｎ×１５０Ｉｌｌ的巨型３Ｄ　打印机、打印“油墨”和连续打印技术。盈创公司打印建　造实体房屋的基本思路是先打印结构墙体然后进行拼　装成型，已经于２０１４年４月在上海青浦成功打印出１Ｏ　幢３Ｄ打印建筑作为当地动迁工程的办公用房，该批建　筑所用材料来自于建筑废料，全过程由计算机操作，大　大降低了建筑成本。盈创公司也和同济大学、中国建筑　第八工程局有限公司开展了一系列的３Ｄ打印建筑材　料和结构体系的研发，并在苏州建造了一栋地上五层地　下—层的实体建筑。盈创公司成功采用３Ｄ打印技术建　造出全球首个完整别墅。　近两年来，万科企业股份有限公司计划将与美国宇　航局（ＮＡＳＡ）合作研究３Ｄ打印房屋建筑，通过机器人　控制全过程，自动化生产房屋。根据万科的计划，研究时　问为３年左右，１０年之后将推广投入到行业生产一线。　３　３Ｄ打印建筑技术的应用优势及存在的问题　３．１应用优势　３Ｄ打印建筑技术的发展和推进，对于有效解决传　统建筑业存在的问题具有重要意义和价值。它具有以　下优势：　（１）有利于建筑垃圾的处理和再生利用。如果通　过加工分离等处理技术使建筑垃圾成为建筑３Ｄ打　印“油墨”的一部分原材料，即可实现建筑垃圾的资源　化，让建筑垃圾回到建筑中。　（２）有利于缩短工期、提高生产效率、缩短投资回　收期、改善环境、降低劳动强度与施工作业的危险。３Ｄ　打印建筑以信息化和机械化为技术手段，很大程度上　降低了对劳动力的依赖，也在很大程度上降低建筑工　人的劳动强度，改善了工作环境，提高了工作效率。具　有低碳、绿色、环保的特点。　（３）有利于减少资源和能源消耗。３Ｄ打印建筑可　以充分利用打印智能控制，使建筑一次成型，同时可减　少建造过程中的工艺损耗和能源消耗。　（４）３Ｄ打印建筑能打印出各种房型及装饰构件，　让建筑的艺术ｆ生通过３Ｄ打印技术一次实现；对各种特　殊设计结构、空间结构、研发性产品、单一样品具有比　常规施工技术更明显的优势。　表１国内高校部分研究成果　时间／年　相关高校及研究内容　湖南大学建筑学院教授胡蕊等人开始对数字设计　２００９　建造进行了相关探索，成立了数字建筑实验室（ＤＡＬ）。　华中科技大学工程管理研究所丁烈云教授团队对　３Ｄ打印水泥砂浆砌体技术进行了研究，开展了ＢＩＭ三维　数字建模、算法研究、数控程序生成系统构建、三维打印装　置开发、水泥及石膏浆体打印试验等多项研究工作。团队　２０１３　研究开发的建筑三维打印装置系统包括数控装置、驱动　装置及材料　鼢装置；提出了基于扫描线的喷嘴＝维路　径填充算法，开发了基于三维模型的数控程序生成系统；　申请了专利《＿—种基于ＢＩＭ建筑模型的水泥砂浆砌体自　动建造装置及其工作方法》。　上海交通大学土木工程系的范诗建等人对３Ｄ打印　建筑的材料ｉ　亍了相关研究。通过基于磷酸盐水泥技术　２０１４　懒　研究，分析了磷酸盐水泥在打印基材中的应用特性　及其所面临的问题，设计了适用于磷酸镁水泥干拌法打　印的送粉打印喷涂装置。　清华大学土木工程安全与耐久实验室的冯鹏等人采　购了美国ＺＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ公司生产的３Ｄ打印机（型号　２０１４　ＳｐｅｃｔｒｕｍＺ５１０），以石膏硬化体为例，研究Ｔ＇Ｔ程结构中　可能采用的粉末和液体混合胶凝体系的３Ｄ打印结构的　细卿特征和力学性能。　同济大学土木工程学院陶雨漾等人介绍了３Ｄ打印　技术的发展概况和主要产品技术特｜　，对其在土木工程　２０１４　领域的应用前景进行预测，包括制作复杂节＿　和构件，特　殊形状的浇铸模具和施工模板及高延性抗震耗能构件。　３．２存在的问题　虽说３Ｄ打印建筑技术具有以上种种优势，然而，　３Ｄ打印建筑目前处于试验阶段，依旧存在许多问题。　（１）三维模型设计软件开发尚不成熟　三维模型设计软件是３Ｄ打印建筑技术准备阶段　的重点部分，打印之前先对建筑物进行三维模型的建　（１）强度　３Ｄ打印建筑技术所使用的材料的强度高低决定　了可以打印出何种高度的建筑物。目前３Ｄ打印建筑多　为１－２层的低矮建筑，如临时房屋或展览厂房等，对材　立，再通过自动化程宁使用３Ｄ打印机打印出建筑实物。　开发出与打印硬件相兼容的设计软件是３Ｄ打印建筑　技术的重点问题之一。　（２）打印设备的设计研发问题　３Ｄ打印机是３Ｄ打印建筑技术中的关键之一。３Ｄ　料抗压强度要求不高，但要使３Ｄ打印建筑技术推广运　用于多层、小高层建筑中，则需要进一步提高打印材料　的抗压强度。　（２）保温节能　由于建　／ｖ／ｖ－－ｍｌ＋－Ｊ月ａ＊ｂｅ，疋Ｈ我国的基本国策，所以在３Ｄ打印　打印建筑的尺寸很大程度上受３Ｄ打印机的限制。如何　设计以及改良３Ｄ打印机，使其不限制所打印建筑物的　尺寸。尤其是解决打印高层建筑物过程中的打印机爬　升问题，是解决打印大型、高层建筑的关键。此外，如何　根据不同的打印材料，设置材料输送系统、打印喷头的　形式和数量，保证打印的精度、效率，也是３Ｄ打印建筑　技术的问题之一。　（３）３Ｄ打印建筑的材料问题　相比传统建造中使用广泛的普通预拌混凝土，３Ｄ　打印建筑对材料的要求更加严格，需要打印材料具有　良好的强度刚度、保温隔热性能、粘接性、不间断ｌ生、合　理的凝结硬化时间，较好的抗裂性和塑性，以及与打印　输送系统相适应的工作性能等。　（４）打印多层房屋结构配筋问题　使用３Ｄ打印建筑技术打印低层建筑时可通过提　高打印材料的自身强度以及合理的结构设计方式，确　保结构无配筋条件下的结构安全。但随着打印建筑物　的层数增加，结构中无配筋的情况下很难保证建筑物　的安全Ｉ生和稳定性等。　（５）标准规范缺乏问题　３Ｄ打印建筑技术所采用的建造方式与传统的土木　工程建造方式有较大差异，现有的设计、施工及验收标　准已不适用，目前，国内外尚无３Ｄ打印建筑的相关标准　规范，不利于３Ｄ打印建筑技术的发展及推广应用。　４　３Ｄ打印建筑技术的应用对材料的性能要求　虽然３Ｄ打印建筑技术不断的发展，但３Ｄ打印建　筑所采用的材料尚不成熟。例如我国上海的３Ｄ打印建　筑采用的是建筑物废弃材料，将其粉碎磨细，加水泥、　纤维、有机粘合剂等，制成牙膏状的“油墨”，进行打印；　荷兰的专家采用了树脂及塑料类的材料；美国的研究　人员采用了树脂砂浆类、粘土类、混凝土类材料进行　３Ｄ打印建筑试验。３Ｄ打印建筑技术的应用对材料的　主要性能要求归纳如下。　建筑技术的研究与开发过程中，可以从打印材料人手，　探索不同的保温节能方案。目前国内外的３Ｄ打印建筑　所使用的材料中，有保温节能型打印材料，采用树脂型　材料打印蜂窝结构墙体，达到保温隔热的节能目的；也　有非保温节能型打印材料，采用其他类型的材料打印　空腔墙体，在向墙体中添加泡沫材料或再次浇筑发泡　材料，达到保温隔热目的。　（３）抗震Ｉ生能　建筑结构抗震问题一直是建筑工程行业中的难题　之一。通过３Ｄ打印成型建筑，由于其材料和结构的均　匀性较好，因此可以按照仿生学原理优化建筑空间、优　ｔ＂－ｇ￣构节点和构件。但如何打印出抗震性能良好的钢　筋混凝土结构，依旧是３Ｄ打印建筑、材料、设备、工艺　的重点难题。　（４）经济ｌ生　随着３Ｄ打印技术的不断发展，打印材料也多种多　样。作为极具使用性的３Ｄ打印建筑，其打印材料不仅　要能满足技术性能，还要具有良好的经济性。目前打印　建筑的材料主要以水泥、石灰、石膏、黏土、砂子、碎石　为主。研究如何通过材料和结构的相互结合相互优化　以降低综合造价，达到良好的经济性，依旧是３Ｄ打印　建筑技术应突破的问题。　５结语　在可持续发展的中国新常态环境下，３Ｄ打印技术　的不断发展将会给传统制造业带来重大变革，而其中　３Ｄ打印建筑技术以其绿色智能、节能节材、高效及个　性化等诸多优势，势必给传统的建筑行业带来巨大的　冲击和颠覆，具有广阔的发展前景。往后随着相关技术　的创新、打印材料的研发、规范标准的出台等，３Ｄ打印　建筑技术会日益发展和成熟，在整个建筑领域中的应　用也会更加广泛。　参考文献（略）