建筑3D打印数字建造技术研究应用综述

丁烈云，徐捷，覃亚伟

(华中科技大学a．湖北省数字建造与安全工程技术研究中心;b．土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074)

建筑3D打印数字建造技术研究应用综述

丁烈云，徐捷，覃亚伟

(华中科技大学a．湖北省数字建造与安全工程技术研究中心;b．土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074)

3D打印技术起源于20世纪80年代末，也称为“增材制造”或“快速原型”技术。21世纪以来，随着3D打印技术的引入，数字建造成为了建筑领域数字化发展的趋势。本文对国内外现有建筑3D打印技术相关研究及应用情况进行了分析，依据使用材料和打印工艺将目前主要建筑3D打印技术归纳为三类:基于混凝土分层喷挤叠加的增材建造方法、基于砂石粉末分层粘合叠加的增材建造方法和大型机械臂驱动的材料三维构造建造方法。文章对未来建筑3D打印的研究方向提出了若干展望，包括材料理论及新材料研发、机械设备及工艺改良、软硬件协同和智能化控制研究、3D打印构件及结构力学性能研究、技术适用性及工作模式研究、技术标准体系研究、社会经济效益评价研究等方面。

建筑3D打印;数字建造;增材建造

长期以来，建筑工程建造方式受限于传统的建造工具及技术手段，一方面，建筑师对三维建筑形式天马行空的想象力和创造力难以付诸实践，另一方面，粗犷的建造技术给环境带来了严重的破坏，造成了巨大的资源消耗和浪费。

随着当今全球经济的发展，社会的进步，城市化进程的加快，人们生活水平的提高，造型独特、轻质高强、绿色环保的新型建筑形式已经成为未来建筑及结构构造的功能需求和发展趋势;同时，传统的高消耗、用资源换效益的生产方式已经越来越难以为继，建筑行业需要寻找新的建造方式［1］。建筑3D打印数字建造技术将是一种有效的解决途径，其数字化、自动化的建造方式将给建筑业带来翻天覆地的变革。

1 建筑3D打印数字建造基本原理

建筑3D打印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，如图1所示，也被称为“增材建造(Additive Construction)”。此外，由机械臂或机器人主导完成的建筑实体的构建也是一种建筑3D打印数字建造技术。

图1 增材建造的基本原理

(1)三维模型建立与近似处理。有两种三维建模的方法:通过建筑参数化建模软件(如Revit、3dmax等)直接建模;或利用逆向反求工程(如三维扫描等)，通过点云数据构造出三维模型。然后用软件将三维模型导出为特定的近似模拟文件，如STL格式文件等，为后续工作做好准备。

(2)模型切片与路径规划。将三维模型模拟文件导入建筑3D打印数控系统，系统对模型进行两步处理:用一系列平行、等间距的二维模型进行拟合，即分层切片处理;将切片得到的层片轮廓转化为打印喷嘴的运行填充路径，即层片路径规划。经过上述两步处理生成机械运动指令。

(3)模型层片加工与叠加。打印喷头在建筑3D打印数控系统的控制下按照规划好的路径进行打印，然后层层叠加，得到最终建筑产品［2］。

建筑3D打印数字建造技术实质上是全新的设计建造方法论的革新，使得传统的建造技术被数字化建造技术所取代，从而满足日益增长的非线性、自由曲面等复杂建筑形式的设计建造要求。

2 国外研究应用现状及评述

建筑3D打印起源于1997年美国学者Joseph Pegna提出的一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［3］。2001年，美国南加州大学教授Behrokh Khoshnevis提出了称为“轮廓工艺(Contour Crafting)”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。英国Monolite公司于2007年推出一种新的建筑3D打印技术“D型(D-shape)”，采用粘结剂选择性硬化每层砂砾粉末并逐层累加形成整体。2008年，英国拉夫堡大学的Richard Buswell教授提出了另一种喷挤叠加混凝土的打印工艺，即“混凝土打印(Concrete Printing)”，并且具有较高的三维自由度和较小的堆积分辨率［4］。在十多年的发展过程中，世界范围内学界对这种新的建造方式进行了相当的研究探索工作，部分国家和地区的政府机构也给予了大力的支持。

本文依据使用材料和打印工艺的不同将目前相对成熟的建筑3D打印方法主要分为以下三类:基于混凝土分层喷挤叠加的增材建造方法、基于砂石粉末分层粘合叠加的增材建造方法和大型机械臂驱动的材料三维构造建造方法。此外，英国伦敦的Softkill Design工作室研究了采用尼龙纤维材料通过激光烧结工艺打印节段后扣合拼装形成整体建筑的方法，目前还处于试验阶段［5］。

2．1 基于混凝土分层喷挤叠加的增材建造方法

2．1．1 轮廓工艺(Contour Crafting，CC)

2001年，美国南加州大学(University of Southern California)教授Behrokh Khoshnevis提出了一种称为“轮廓工艺(Contour Crafting，CC)”的建筑3D打印技术［4］，通过混合料分层堆积成型实现建造，图2给出了其打印工艺流程。

经过多年发展，轮廓工艺已具备利用一定材料实现大型建筑构件甚至是整体建筑自动建造的技术可能性(如图3所示)［6］。目前，研究团队正在美国宇航局(NASA)的支持下，研究利用轮廓工艺在月球上建造太空基地的相关技术［7］。

图2 轮廓工艺打印工艺流程

图3 轮廓工艺机械装置及打印墙体结构［1，8］

轮廓工艺的主要优势为利用抹刀实现构件平整光滑的表面(如图3所示)，但其工艺较为耗时，且打印构件整体性不足、尺寸受设备限制［1］。

2．1．2 轮廓工艺－带缆索系统(CC-cable-suspended)

2007年，美国俄亥俄大学(Ohio University) Paul等人改进并提出了轮廓工艺－带缆索系统(CC-cable-suspended)，以刚框架作为机械骨架，通过12条缆索控制终端喷嘴的三维运动(如图5所示)，称其为基于直角坐标系的轮廓工艺缆索机器人(Contour Crafting Cartesian Cable Robot，C4 Robot)［9］，图4为改进后的工艺流程。

图4 轮廓工艺－带缆索系统工艺流程

图5 轮廓工艺－带缆索系统示意［9］

该改良后的工艺主要体现在:用轻质刚框架代替笨重龙门架，更加便携、灵活、易拆装，使得在工地现场打印建造房屋更具有可行性［9］。

2．1．3 混凝土打印(Concrete Printing)

英国拉夫堡大学(Loughborough University)创新和建筑研究中心Lim等人于2008年提出了后来被称为“混凝土打印(Concrete Printing)”的建筑3D打印技术［4］，也是基于混凝土喷挤堆积成型的工艺［1］，其工艺流程如图6所示，机械装置如图7所示。

图6 混凝土打印工艺流程

团队研发出适合3D打印的聚丙烯纤维混凝土，已于2009年成功打印出一个尺寸为2 m× 0．9 m×0．8 m混凝土靠背椅，并对其原位剥离进行立方体抗压等性能测试［10，11］。

混凝土打印通过空间钢筋网保证了构件的整体性，其工艺较简单，打印效率较高;但其打印构件表面粗糙，尺寸受设备限制［1］。

图7 混凝土打印机械装置［12］

2．2 基于砂石粉末分层粘合叠加的增材建造方法

2．2．1 D型(D-shape)

2007年，英国Monolite公司的意大利工程师Enrico Dini提出了一种通过喷挤粘结剂来选择性胶凝硬化逐层砂砾粉末实现堆积成型的方法(图8)即D型(D-shape)［4］，图9为其机械装置。

图8 D型工艺流程

研究团队已经于2009年成功打印了一高1．6 m的雕塑，近两年来，针对D-shape技术用于月球基地的建造进行了研究［13］。目前，Enrico Dini正与荷兰建筑师合作打印一座“莫比乌斯环”状的建筑物，并将参加欧洲的3D打印比赛［14］。

图9 D型机械装置［13］

D型高精度一体化成型打印的构件强度高、整体性好，同时非水泥材料的使用大幅降低碳排放，且材料无堵塞管道等问题;但其打印过程缓慢，构件尺寸受机械限制，且成本较高［1，15］。

2．2．2 数字异形体(Digital Grotesque)

从2012年开始，瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)的Michael等人以砂石粉末为材料，经过数字算法建模、分块三维打印、垒砌组装等过程(图10)完成了一个3．2m高的Grotesque构筑物的3D打印建造，称作数字异形体(Digital Grotesque)［16，17］，如图11所示。

图10 数字异形体工艺流程

图11 数字异形体雕塑［17］

打印建造的数字异形体雕塑被置于工作室中用于展示，是建筑师数字设计建造方法的一个典型尝试。

2．3 大型机械臂驱动的材料三维构造建造方法

2．3．1 砖块堆叠(Brick Stacking)

从2006年开始，瑞士联邦(ETH Zürich)的 Fabio、Matthias等人开始进行了由大型机械臂主导的数字设计建造研究，其中较为典型的即为砖块堆叠(Brick Stacking)。砖块堆叠以砖块作为材料单元，由数控程序驱动3 m×3 m×8 m的机械手以错位形式抓取堆叠砖块，上下两块砖之间用环氧树脂粘结剂连接补强，建造了外立面超过300平方米的“动态砖墙”(Informing brick wall)［18］(图13)。近两年来，研究者开发了用小型机器人飞行器进行砖块抓取堆叠的新技术，提高了工作自由度及效率［19，20］，图12为其工艺流程。

图12 数字异形体工艺流程

图13 机械手驱动砖块堆叠过程［18］

该方法以砖块为建造材料，将原始建筑材料与数字建造技术相结合，彰显了非线性建筑之美，但其建造尺寸仍受机械限制。

2．3．2 展亭编织(Pavilion)

2010年，德国斯图加特大学(University of Stuttgart)Archim Menges教授的ICD工作室开始了以公园展亭(Pavilion)为对象的数字设计建造探索。2012年，团队采用计算数学设计和机器臂自动操作，使用碳纤维材料及设定的编织工艺，通过精准控制机器人与自动旋转的模具之间协同工作，编织了一个可自支撑的壳体结构展亭。最后，人工拆卸钢支架形成最终的展亭结构，实际建造结果同设计模型之间的误差控制得非常小［21］，如图14、15所示。

图14 展亭自动编织工艺流程

图15 展亭自动编织过程［21］

团队研究采用新型材料，将材料算法设计与数字建造技术相结合，最终建筑造型美观、整体强度刚度较高;需要注意的是，其打印建造过程需要以钢支架为支撑。

2．4 国外研究应用现状评述

从上述国外主要建筑3D打印数字建造技术的研究可以看出本文依据使用材料和打印工艺的不同将其分为三类方法具有合理性。以下从两个维度对该三类方法的研究进行评述。

从横向角度看，混凝土分层喷挤叠加与砂石粉末分层粘合叠加这两类方法，都是基于材料分层叠加的原理。两者的主要差异在于使用材料和打印工艺，前者多采用混凝土(水泥)分层自稳自凝固堆积成型，后者则是粘结剂在设备外逐层选择性粘结砂石粉末累积成型。大型机械臂驱动的材料三维构造方法与前两者相比主要区别在于机械，大型机械手的建造逻辑突破了分层叠加的增材过程，准确地说是一种材料的三维空间建构。

导致上述差别最根本的因素是材料，建筑领域材料的多样性导致了三类方法设计采用了不同的机械与建造工艺，也决定了其可能不同的适用情况，如具有承载力要求的结构或构件适用于第一类方法，而承载力要求稍弱、观赏性要求高的建筑物或异型雕塑则适用于第二或第三类方法。

从纵向角度看，每类方法每种流派的打印工艺不尽相同，但都存在一些共同的问题:

(1)材料设计制备及性能优化问题。对于第一类，适用于增材建造的混凝土材料配合比理论尚未有统一标准，鉴于分层叠加的构造形式，其力学性能需要通过完善配合比来优化确定。对于第二类，细磨砂石粉末的粒径精度要求较高，制备较为困难，且粘结剂的相关性能也有待优化。

(2)机械设备尺寸及智能化问题。基本上所有流派建筑3D打印方法的建造尺度都受到机械设备的限制，导致打印构件尺寸有限，只能通过模块打印拼装来形成整体。另外，机械设备由既定数控程序控制，因此，人工智能将是需要的，以智能化应对打印中发生的突发问题。

(3)打印工艺优化问题。前两类的增材建造过程都会产生具有层状纹理的粗糙表面，严重影响外观，需要通过额外的人工处理才能保证平整度(轮廓工艺仅仅是一定程度上改善了平整度);分层打印的工艺会产生层间粘结力不足导致的构件整体强度、刚度和整体性不足，等等。

(4)数控软硬件协同问题。建筑3D打印的自动建造由数控软件控制机械完成，软件导出的控制指令取决于所建的模型，要实现将所建的三维模型由数控软件驱动机械设备准确地打印建造出来将是一个关键的软硬件协同问题。

3 国内研究应用现状及评述

国内高校的研究起步较晚，基本上是从2010年后开始的。从目前的研究现状看，本文将其分为以下三类:(1)基于材料分层叠加方法的研究; (2)由建筑设计理论驱动的数字建造研究;(3)以技术研究应用综述和相关理论为主的研究。

国内企业的研究侧重于技术的产业化应用探索，个别企业的研究起步较早，已经取得了明显的研究成果，并付诸了实践应用。

3．1 基于材料分层叠加方法的研究

3．1．1 软硬件系统及工艺的研发

自2013年开始，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、驱动装置及材料供给装置，能够实现利用水泥砂浆或石膏等材料、尺寸在1m×1m以内简单构件的打印(图16);提出了基于扫描线的喷嘴二维路径填充算法，开发了基于三维模型的数控程序生成系统;申请了专利《一种基于BIM建筑模型的水泥砂浆砌体自动建造装置及其工作方法》［22］。

16建筑三维打印装置系统及3D打印水泥砂浆构件

2015年，研究团队研发了第二代用于混凝土打印的建筑三维打印装置系统(图17)，相比第一代，主要有以下几个方面的改良:(1)机械设备尺寸更大，能够实现2m×2m的构件打印;(2)泵送系统改善，实现细骨料(主要为细砂)混凝土构件打印;(3)驱动模块提高运动稳定性和精度，可调变速范围更大;(4)人工拌料送料升级为半自动化送料，泵机可调流量范围更大;(5)驱动模块底座装有轮子，增强了灵活性和工地打印可行性。

17第二代建筑三维打印装置系统

3．1．2 打印构件及材料的研究

2014年，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Z Corporation公司生产的3D打印机(型号Spectrum Z510)，以石膏硬化体为例，研究了工程结构中可能采用的粉末和液体混合胶凝体系的3D打印结构的细观特征和力学性能。通过观测打印成品，显示出此类3D打印制品具有整体分层、层内分线、正交各向异性的细观结构;通过打印出的立方体抗压(图18)、棱柱体抗折等试验获得了其力学性能参数，并提出了相应的应力应变关系模型［23］。

图18 3D打印立方体沿Z轴受压破坏［23］

2014年，上海交通大学土木工程系的范诗建等人对3D打印建筑的材料进行了相关研究，根据磷酸盐水泥具有快硬、早强、粘结强度高和良好的生物相容性等特点，指出其切合3D打印技术对于打印基材的需求。通过基于磷酸盐水泥技术性能研究，分析了磷酸盐水泥在3D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［24］。

3．2 由建筑设计理论驱动的数字建造研究

湖南大学建筑学院教授胡骉等人从2009年开始对数字设计建造进行了相关探索，成立了数字建筑实验室(DAL)，以每年主题丰富的数字建造工作营形式，探索建筑数字化课程的教学模式，帮助学生逐步了解数字建筑设计建造的理论与方法，体验从数字设计到数字建造的全过程［25］，图19展示了2011年工作营学生数字设计建造的雨棚方案。

图19 学生数字设计建造的雨棚［25］

自2011年开始，同济大学建筑与城市规划学院的袁烽等人从建筑学角度对数字建造技术对建筑设计建造发展的影响与意义进行了研究［26］。在建筑设计方面，引入了“参数化设计”等概念;在建筑新材料方面，讨论了过度型材料等多种新型分类材料的适用性;在工作模式方面，提出了数字模块化建造、基于BIM平台的协同工作模式。研究中心引进了国外的KUKA机械臂、5轴CNC数控机床、激光切割机、3D打印机、激光粉末打印机等多种数字化装备对数字建造产品的建筑美学、性能等方面进行实践验证［27～29］，如图20所示。

图20 新型数字设计研究中心内部及数字建造的生态墙面［27，29］

2013年，清华大学建筑学院于雷博士从方案概念设计、结构构造设计、加工及施工配合等方面论述了3D打印技术具有的针对建筑师与建筑方案间的动态交互性对现代建筑设计过程带来的极大益处［30］。2014年，通过上海数字未来暑期国际工作营运用机器臂(德国KUKA机器臂，见图21)进行空间3D打印的建筑实例，讨论、验证了仿生设计、材料性能的拓展及数字建造3D打印技术的运用对现代建筑设计的重要性［31］。

图21 机器臂仿生打印蜘蛛丝空间网状结构［31］

3．3 以技术研究应用综述和相关理论为主的研究

2014年，同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室蒋正武教授等人对国内外3D打印混凝土技术及其材料、施工的研究现状进行了讨论，指出了其在原材料、配合比理论、软件、成型高度等方面存在的问题，并就材料、配套软硬件、打印工艺等方面的未来研究提出了方向［32］。

2014年，同济大学土木工程学院陶雨濛等人介绍了3D打印技术的发展概况和主要产品技术特点，对其在土木工程领域的应用前景进行预测，包括制作复杂节点和构件，特殊形状的浇铸模具和施工模板及高延性抗震耗能构件，促进自由形式建造等智能化建筑施工技术等方面［33］。

2014年，天津大学李志国等人对建筑3D打印的打印方式、材料性能、力学结构、保温绝热、施工操作等方面进行了研究，指出了其在材料固化养护、泵送提升、与预制工艺组合、结构节点等问题［34］。

2014年，武汉大学宋靖华等人对3D建筑打印相关文献资料和实例进行梳理、汇总，以打印材料为依据，将目前的建筑3D打印技术分为三类:以细骨料和胶凝料为打印材料、以混凝土为打印材料和以纤维尼龙为打印材料等［5］。

2014年，北京工业大学王子明等人阐述了3D打印在建筑领域的发展与应用，指出3D打印技术在建筑领域具有广阔的应用前景［35］。

3．4 企业技术产业化应用研究

从2002年开始，上海盈创装饰设计工程有限公司前后用了12年时间，自主研发了150米×10米×6．6米的巨型3D打印机、打印油墨和连续打印技术。盈创的“油墨”为一种由砂石、改良水泥与玻璃纤维制成的新型石材，其核心技术是保证了油墨在堆叠的过程中不会坍塌，且油墨的凝固时间与机器的打印时间保持一致。盈创公司打印建造实体房屋的思路是先打印结构墙体而后进行拼装成型(见图22)，已经于2014年4月成功打印出10幢3D打印建筑，作为当地动迁工程的办公用房。近日，盈创公司成功采用3D打印技术建造出全球首个完整别墅和5层高的楼房［36～38］。

图22 盈创公司打印的结构墙体［36］

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。其合作的3D打印建筑主要工艺是喷挤砂浆、分层建造。根据万科的计划，研究时间为3年左右，10年之后将推广投入到行业生产一线。目前，未见万科在建筑3D打印方面的明显研究应用成果［39］。

3．5 国内研究应用现状评述

从上文可见，本文对国内高校研究现状的三种分类反映了不同高校的研究内容与方法。综合上述的高校研究可以看出两种不同的研究角度，一种是从工程学角度对数字建造技术本身的关键性问题如机械、材料问题等进行研究，如华中科技大学丁烈云、清华大学冯鹏等人;另一种是从建筑学角度对数字建造技术带给建筑设计新的逻辑、理论与工作模式等展开探索，如清华大学于雷、同济大学袁烽等人。这实质上反映了工程师和建筑师在研究数字建造技术时的不同侧重点。

企业界偏向于建筑3D打印数字建造技术的行业化应用探索。盈创科技耗费十多年时间研发的巨型3D打印机及其打印的实体房屋建筑为建筑3D打印技术行业化、产业化应用奠定了重要的基础。然而，距离真正实现技术行业化全面应用还有不少问题，包括材料机械的优化、建(构)筑物的一体化打印工艺、市场及官方的认可、国家行业技术标准的编制等。

4 研究展望

纵观国内外现有的建筑3D打印数字建造方法，尽管欧美国家的部分高校已经取得了一定的研究成果，但这些研究和应用仍然存在一些问题，包括材料、机械、工艺、数控等方面。综合上文的总结与归纳，本文提出以下几个研究思路和展望。

(1)材料理论及新材料研发

建筑3D打印数字建造技术对材料的要求比传统方法更加严格。以混凝土材料为例，包括拌合配置时的和易性、喷挤时的流塑性、凝固堆积的自稳定性，以及硬化后的强度、刚度和耐久性等。研究材料的各种性能以建立数字建造材料理论，来支撑多种不同材料的设计、制备以及优化研发。一个典型的问题是目前分层打印的构件表面存在明显的层次纹理，严重影响美观。如果能对既有材料进行改造或研发出表面自密实的新型材料(如自愈混凝土)将能很好解决这个问题。

(2)机械设备及工艺改良

面对大型构件在工地现场的自动建造，建筑3D打印的机械设备既要具备足够的尺度，又要便携可拆卸、轻质高强。同时，3D打印装置的驱动、输料模块的运行性能需进一步优化，典型的包括机械臂运动的空间精度、速度、稳定性等，以及电子喷嘴的出料速度、稳定性、精确度等以及多种材料出料的优化改造等。另外，改良现有3D打印装置使其实现打印、植筋、安装管线、提升泵送、表面整平、养护喷漆、与预制组合等工序在内的全过程建造工艺，将具有非常重要的意义。

(3)软硬件协同和智能化控制研究

对比实际打印构件或结构与理论设计模型，往往会产生较大的偏差。因此，建筑领域建模设计软件和数控软件的接口优化、信息无缝传递，以及数控软件对硬件装置的精确控制研究都是必要的。再者，在基于自动化控制的自动建造的基础上进行智能化建造研究，为控制系统添加人工智能，智能识别模型设计意图，同时在驱动模块和输料模块中安装传感器，将打印过程中的动态信息实时反馈给控制系统，由控制系统进行调整打印的速度、精度等实现智能化建造。

(4)3D打印构件及结构力学性能研究

3D打印方法突破了材料的自然形态，其打印构件及结构的力学性能较传统方法发生了一定的变化。尽管部分高校对3D打印构件的材料力学性能进行了一定的研究，如拉夫堡大学的混凝土立方体构件原位剥离试验、清华大学的立方体抗压抗折试验，但涉及整体结构和局部(如梁柱等)节点力学性能的研究则相对较少，有待进一步研究。在此基础上，结合施工工艺进行力学仿真对比分析，建立3D打印结构构件模型库，进而形成整个结构体系，配合工艺体系进行应用。

(5)技术适用性及工作模式研究

国外三类技术方法的适用范围不尽相同。例如，混凝土分层喷挤叠加的方法适用于水平曲线化承重墙体的建造，而砂石粉末分层粘合叠加的方法则适用于个性化异型建筑或观赏性雕塑的建造。因此，技术适用性研究是必要的。另外，将BIM技术与建筑3D打印技术结合，构建基于BIM的协同工作模式。建筑师或工程师可以将设计好的BIM模型直接打印出缩小的模型，使得建筑师(工程师)们对设计方案有具体的实体感知，以及时对方案进行修改，最终打印出足尺建筑。

(6)技术标准体系研究

目前，国内外已有若干种技术流派，但每种技术流派各自为营，为了使建筑3D打印数字建造技术成熟化应用，研究制定一整套技术标准体系是必要的。在每类建筑3D打印技术的使用材料、机械、工艺、产品性能、构造形式、适用范围、资源配置、费用能耗等方面充分研究的基础上，结合基于BIM的协同工作模式及绿色建造技术评价方法研究构建建筑3D打印数字建造技术标准体系，以致形成建筑行业在建筑3D打印数字建造模式下新的生产关系和行业生态。

(7)社会经济效益评价研究

建筑3D打印数字建造技术作为一种新的建造手段逐渐受到了行业内外的关注，其发展至今仅有十多年的时间，目前主要还处于技术工艺的研究探索阶段，离大范围的产业化应用还有不小的距离。但可以肯定的是，当它的技术发展成熟之后，其社会经济效益的评价及相关研究将是必不可少的，如碳排放统计、资源能耗分析、造价测算等，这些可以反过来促进技术本身的发展。

5 结论

本文通过对建筑3D打印数字建造技术国内外研究现状的梳理和归纳，得到如下结论:

(1)建筑3D打印数字建造技术将建筑形式、材料和结构等因素进行高度整合，揭示了一种崭新的设计逻辑和建造模式，数字设计与建造的无缝连接有机地打破了建筑与结构之间的屏障，展现了未来数字设计建造模式下一种全新的建筑生态关系，代表了未来建筑数字化发展的方向。

(2)国内外目前的建筑3D打印以需求为导向的研究可以分为两大类:一类是代替人工面向大型构件、房屋建筑物或构筑物的自动化建造，此类研究因建造体量大而要求大尺寸的机械设备，对材料的力学性能要求较高而建造附加值较低;另一类是面向建筑雕塑、异型个性化构件的制造与探索，此类研究对机械设备的尺寸要求不高，注重材料与建筑形式结合的观赏性，附加值较高。

(3)总体来说，目前，建筑3D打印数字建造技术的研究还刚刚起步，技术本身尚存在许多问题还没得到有效解决，距离真正应用于房屋建筑、甚至高层或超高层建筑的建造还有较大的差距。另外，在技术标准和社会经济效益评价方面基本处于空白，需等到技术工艺发展成熟、机械材料成本得到有效控制、被官方和市场认可之后才能真正实现产业化应用。

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Research and Application Review of the Digital Construction Technology of 3D Printing for Construction

DING Lie-yun，XU Jie，QIN Ya-wei
(a．Hubei Engineering Research Center for Digital Construction and Safety，b．School of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

3D Printing was originated in the late 1980s，which is called Additive Manufacturing or Rapid Prototyping．With the introduction of 3D printing technology，digital construction has become the digital development trend of the construction field since the 21st century．This paper reviews the research and applications of 3D printing technologies for construction at home and abroad，and summarizes the current main technologies as three types according to the material and process: additive construction based on concrete layered overlay，additive construction based on sand powder layered adhesive stack and material structure construction by mechanical arm．Finally，several future research orientationsareproposed，includingmaterialdevelopment，machineryandprocess improvement，intelligent control and cooperation of software and hardware，mechanical property of component and structure，technical applicability and mode，technical criterion system and social economic evaluation etc．

3D printing for construction;digital construction;additive construction

TU741．2

A

2095-0985(2015)03-0001-10

2015-06-11

2015-06-29

丁烈云(1955-)，男，湖北洪湖人，教授，博士，研究方向为工程管理信息化、风险与安全管理(Email:dly@hust．edu．cn)

徐捷(1991-)，男，福建霞浦人，博士研究生，研究方向为数字建造技术(Email:xu_jie@hust．edu．cn)

“十二五”国家科技支撑计划(2012BAK24B00)