3D打印技术及其在建筑领域的应用

唐 标 中国水利水电第八工程局有限公司

1 前言

近年来，3D打印技术凭借其快速、绿色、环保、节能、节材、节约劳动力、高精度及自由度大等优点，受到制造业和工程行业高度重视。3D打印技术可根据设定的程序命令直接打印出实体建筑物或建筑构件，具有建造速度快、无需模板支撑、可个性化定制、降低材料损耗和建造成本的特点，给建筑和土木工程领域注入了新活力，成为该领域研究热点之一。

2 3D打印技术发展背景

目前，我国建筑业主要采用现场施工方式，即搭设脚手架、支设模板、绑扎钢筋和混凝土浇筑等，大部分工作是在施工现场由人工来完成，劳动强度大、建筑材料消耗量大、现场产生的建筑垃圾较多，同时对周围环境有较大的影响，如扬尘、噪声等，且劳动力成本不断上涨，施工成本日益增加，因此建筑施工机械化、自动化成为趋势。

3D打印建筑技术是近年来兴起的一项新型智能化建造技术，其是将打印构件或建筑物模型利用切片软件进行3D、2D模型的分层处理，生成打印路由程序，然后将配置好的新型混凝土材料利用泵送系统输送到打印头，按照打印程序，通过控制系统，控制执行机构带动打印头按照打印路由行走，打印出精确的几何图形，通过层层叠加完成混凝土构件或建筑物的成型。混凝土构件建模打印基本工作流程如图1所示。

图1 混凝土构件建模打印基本工作流程

建筑3D打印技术为建筑行业的发展与变革带来了新思路、新格局，在解决困扰传统建筑施工的环境污染、资源浪费、人力资源短缺等问题上具有强大的应用潜力。3D打印建筑技术在如今建筑业的转型期和“新基建”战略发展期，将助力建筑业“数字经济”转型和升级。住房和城乡建设部颁发的《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》中讲到“积极开展建筑业3D打印设备及材料研究；探索3D打印建筑技术运用于建筑模块、构件生产，开展示范应用”，建筑3D打印技术在建筑业的应用，具有改变建筑行业发展业态的潜力。

3 3D打印技术在建筑领域的应用优势

建筑3D打印技术作为一种新的建造技术，理论与实践工作者已开展诸多研究，其主要应用优点可归纳如下。

（1）推动建筑工业化：3D打印在建筑领域的应用，能够推动建筑业变革和创新发展。建筑3D打印技术能够减少建筑垃圾，也能通过工厂进行构、部件的批量化生产，在一定程度上推动建筑工业化的进程。

（2）促进人工智能化：自适应自协调的群体机器人智能化打印是建筑3D打印技术研究的方向之一。目前，BIM与3D打印建筑技术结合已应用于建筑装饰工程，在三维建模中展现复杂构件与多曲面构造设计方案的效果，并通过3D打印出实体构件模型，直观、快速地表达设计方案。

（3）实现建筑数字化：建筑学科的发展离不开建筑技术创新，创新需要人才，相关研究关注了人才培养，同时建筑3D打印技术寄托了建筑人士将其作为建筑数字化发展的期待。

（4）推动可持续发展：建筑3D打印技术有着节能环保的优点，体现在能很大程度上利用并减少建筑垃圾、减少施工浪费与节约建筑材料上。目前随着科技的发展与进步，围绕BIM技术、3D打印技术以及装配式建筑技术融合创新进行研究，可建筑业朝着高效、绿色和安全的方向发展。

4 3D打印技术在建筑工程中的应用案例分析

4.1 工程概况

本项目为某产业园传达室，建造方式采用3D混凝土打印。此传达室主要功能为看门、登记、引导来宾等，设计场地尺寸为5.4m×8.6m，建筑面积在10m2～15m2左右，建筑高度控制在3m～3.6m内。对于建筑造型的设计，要基于3D混凝土打印的特性，并最终体现出3D混凝土打印较于传统混凝土建造方式的优势。

4.2 设计思路

基于3D混凝土打印特性分析和造型生成研究，利用其打印优势，设计一个自由曲面建筑。考虑到传达室本身的设计要求，把南北两面的墙体和屋顶设计为一体化的曲面形体，直接打印拼装形成建筑主体，东西两面设为虚的面，形成虚实结合的建筑形体。在平面布局上，将出入口设置在东面，考虑到造型和结构上的需求，保留南面墙体的整体性，把接待窗口布置在西面。

此设计主要通过曲线放样成面和曲面切割形体来实现，将设置好的曲线放样生成曲面，并偏移得到墙厚200mm的形体，使用与其近似相切的曲面切割形体得到传达室主体部分，同时将建筑西立面和形体生成中得到的切割面设置为玻璃面，得到传达室最终造型形式。

整个建筑形体尺寸约为4500mm×3500mm×3200mm，为配合形体造型，东立面选用曲面玻璃和普通玻璃两种，其中门的开启处用普通玻璃，同时，玻璃与墙体交接边界使用曲线元素来完成整个自由曲面形体的造型设计。

考虑到本设计的形式采用了屋顶和墙体一体化，并将其作为承重结构，因此利用ANSYS有限元分析软件对建筑主体结构进行强度分析。采用solid65实体单元将待分析模型划分好网格，在模型底部施加固定约束，同时对模型添加垂直向下的重力，求解分析结果显示最大应力为3.04MPa，远小于混凝土材料的强度极限，由此可看出该建筑主体结构强度足够承重，符合要求。

4.3 打印参数

此传达室项目选用3D混凝土打印为建造方式，由于合作单位的打印机可打印物品最大尺寸为2900mm×2900mm×1500mm和2800mm×2200mm×1800mm两种，因此，需要将建筑主体切分成模块进行打印。基于可打印尺寸的限制，将打印主体分割为平均尺寸为2000mm×200mm×1500mm的12个模块，并将其按位置进行编号。

基于3D打印要求，构件能打印最基本的条件是要至少保证有一个平面来作为打印时的基底面，所以将拆分的打印模块翻转方向来进行打印。而对构件打印可行性有影响的主要为构件的单层最大偏移量等因素，因此，对每一个打印模块的单层最大偏移量利用Grasshopper和Rhino平台进行计算，并结合打印试验结果对其进行预判断，预估其能否成功打印。每个模块的计算结果显示，单层最大偏移量一般在2mm左右，偏移最大也小于3.5mm，而在3D混凝土打印试验的结果表明，构件可偏移量在4.5mm左右，因此所有模块都是在可打印范围内的。

4.4 施工建造

项目建造时，主要步骤如下：设计图纸→结构体打印配横向筋→构造柱置筋→现场构件装配→完成主体装配→现浇构造柱→做屋顶防水→装门窗交付。

项目主要涉及节点构造位置有打印构件间的连接、墙体与地板的连接和门窗与墙体的连接三种。两个构件连接时，在竖向连接时主要用砂浆拼接在一起，而在横向连接时，构件打印时在端部流出凹槽，通过在凹槽处现浇混凝土利用类似榫卯的节点连接在一起，并在构件间添加横向钢筋提高其强度。对于墙体与地板的连接，其原理类似于构件间的节点，采用预留空间和钢筋的方式通过现浇混凝土连接。在门窗与墙体连接时，打印时预留出门窗孔洞，然后通过螺栓、自攻钉等将门窗框与主体结构连接在一起，最后再安装玻璃。

为了使此项目更具特色，将与传达室连接的围墙部分设计为基于正弦曲面的3D混凝土打印模块堆砌的参数化墙体，基本砌块尺寸为300mm×300mm×300mm，添加随机变量之后每个砌块都不一样，既能体现出3D混凝土打印的个性化建造同时也能呈现出其能打印任何几何形状的能力。每个砌块单独打印，其最大偏移量在9.1mm左右，虽然偏移量较大，但是由于砌块本身尺寸很小，上层对下层的即时承重能力要求较小，且不连续偏移时单层可最大偏移量在10mm左右，因此，这些砌块还是在可打印的范围内的。砌块打印完成后，运输到现场通过砂浆对其组装成整体即可。

5 3D打印技术在建筑领域的应用难点与研究方向

建筑3D打印作为一种新技术，在材料性能要求、设备性能与材料匹配性等方面有众多问题有待解决，如何在保证混凝土材料的流变性和可塑性的前提下，将其快速、均匀的搅拌、泵送、挤出，并打印成型，同时满足建筑物各方面性能要求，是目前需要解决的主要问题。

5.1 应用难点

建筑3D打印技术的应用难点主要体现在以下几个方面。

（1）目前水泥砂浆是建筑3D打印的主流选择，具有颗粒度大、流动性差等特点，对其进行在线测量流量、流速、自动控制调节阀门等精细化控制较难实施。

（2）建筑3D打印材料易凝固堵料，导致供料系统易故障，长时间连续供料较难。

（3）现有建筑3D设备自动化、智能化程度较低，目前打印过程中人工辅助工作量仍需进一步减少，降低人力、物力的耗费。

（4）现有设备使用限制性较大，设备尺寸限制打印构件尺寸、打印对象限制设备形式、打印材料限制设备选型等。

（5）现有打印材料的泵送装置、挤出装置及打印工艺后期清洗技术尚未成熟，若未能高效地清洗干净打印头喷嘴内部而导致部分打印物料残留淤积，轻则影响后续打印过程中的成型质量，重则直接导致装置堵塞及损坏。

（6）3D打印建筑尚无统一的标准规范，导致技术应用推广受限，多以示范工程为主，尚未作为正式的施工技术进入建筑市场。

5.2 研究方向

5.2.1 打印材料方面

材料技术是建筑3D打印最重要的技术之一。研究材料性能以及某种材料的工艺方法，是建筑3D打印的关键和根本。并且材料学与3D打印技术相互促进、相辅相成。一方面，材料性能关系到建筑质量和安全，从材料性能入手研究打印材料、构件、结构等的力学性能，能保证建筑物的安全性并形成相应的标准体系；另一方面，对于低成本打印材料的研究，也是材料研究的一个方向。建筑3D打印推广遇到的问题之一就是成本，研究低成本材料，让变“废”为“宝”成为现实，符合可持续发展的要求。

5.2.2 打印设备方面

原位打印是建筑3D打印施工工艺追求的目标，因此，支持原位打印的通用设备原位打印机的研究是未来研究的一个方向。异型建筑，古建筑的修复，个性化以及美观等都要求打印设备的灵活性和便捷性。建筑3D打印机是3D打印机在建筑领域的一个应用和延伸，但由于建筑业本身带有的行业特色，对3D打印机的要求比打印其他物件更高。因此，开发专业新型的3D建筑打印机以及相应的软件体系，打造满足不同类型建筑建造需求的设备体系，就显得尤为重要。打印建筑需要的材料不仅要有较好的打印性能，如流动性，同时要满足建筑需要的抗拉、抗弯和抗裂等性能。因此需要研究建筑打印材料，使其多样化、系统化，更好地满足实际建筑项目的需要。3D建筑打印机、打印材料与3D打印技术互相促进、相辅相成。打印设备、材料的研究是3D打印技术研究和发展的关键，同时3D打印技术的发展又对打印设备和材料的研究产生重要影响。

5.2.3 专业人才培养

3D打印技术在建筑领域的应用，虽然受到国家政策的大力支持，但大众对其安全性的接受和认可还有待提高。建筑3D打印涉及到材料、设备、设计等众多参与方，都需要专业化的人才，加之3D打印建筑技术还未完全成熟，许多新兴领域研究力度不够，难以独成体系，例如非金属材料、物联网等，因此需要专业人才的培养。

6 结束语

综上所述，3D打印技术在建筑领域中的应用，本质是一种数字化、自动化建造技术的初步应用。由于3D打印技术仍处于初级探索阶段，其对于建筑材料的要求比较高，而且不能对打印过程进行更改，因此，现有3D打印技术并不能完全应用到建筑施工之中。随着进一步地深入研发，建筑混凝土3D打印将全面改变建筑施工模式，进一步推动绿色建造、智能建造的步伐。