3D打印技术在可持续建筑中的应用研究

摘要：目的：3D打印能够创建复杂的设计，而这些设计在以前是难以实现的。文章探讨混凝土三维打印的发展和进步，以及这项技术应用于可持续建筑中面临的挑战和未来潜力。同时，强调了3D打印技术的优势，如降低成本、减少材料和时间、提高安全性以及最大限度地减少环境污染等。方法：通过调研3D打印技术和可持续建筑的发展现状，获得一手资料。利用关键词搜索，在中国知网、万方数据库、维普资讯、爱思唯尔等中外数据库进行文献检索。结果：为实现可持续发展，文章主要研究生态友好型替代品，如可用于3D打印的大量粉煤灰、地质聚合物、回收玻璃骨料等。这些材料不仅能够降低对环境的影响，还能增强建筑构件的长期性能。在讨论不同的3D打印方法（包括挤压法和粉末打印）时，强调了每种方法在可持续建筑中的应用潜力。结论：3D混凝土打印（3DCP）为更快、更精确和可持续的施工实践提供了有效的解决方案。随着3D打印技术的日益完善，其不仅可以打印小件物品，甚至可以颠覆传统的建筑行业。3D打印技术有潜力通过提供低成本、高效和环保的解决方案来改变建筑业。然而，其面对的就业影响和结构稳定性等挑战必须通过进一步研究来解决。

关键词：3D打印；环保；节能；可持续建筑

中图分类号：TU17 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2023）23-0-04

0 前言

建筑业的特点是过程缓慢、劳动密集和耗时，在技术上不够先进。然而，3D混凝土打印（3DCP）为更快、更精确和可持续的施工实践提供了新的可能性。传统基础设施建设涉及多个阶段，包括设计、采购材料、组装等，既费时又费力，建筑行业一直受到延误、成本超支和安全问题的困扰［1-4］。3D打印技术可以通过显著减少建造所需的时间和劳动力来革新建筑业，主要优势是加快施工速度和提高精度。与需要手工劳动的传统建筑方法不同，3D打印技术能够以令人难以置信的速度和精度创建复杂的形状，可以加快施工速度，降低劳动力成本，更有效地利用资源［5-8］。同时，3D打印技术可以减少打印过程中产生的浪费，使这个过程更具可持续性。传统的施工方法往往会导致大量的浪费，因为材料是现场切割和组装的［9-11］。相比之下，3D打印技术只需使用必要的材料，就能以更高的精度生产建筑部件，从而减少浪费。3D打印技术可以使用可持续的材料，如回收塑料或可生物降解的材料，以此减少建筑行业的碳足迹［12-14］。此外，3D打印技术有可能改变结构的设计和功能。有了3D打印，就能够创建复杂的设计，而这是传统的构建方法很难实现的［15-18］。3D打印技术使建筑师和工程师能够开发出融合曲线、角度和复杂细节的策略，形成视觉上令人惊叹的功能性结构。图1代表了垂直3D打印的四种应用，包括（a）带壳和填料的现浇墙应用、（b）实体几何构件、（c）面板构件、（d）现浇墙和柱，这些图像突出了垂直3D打印在创建高精度和高效率的复杂结构方面的潜力。

Mehar等人强调，3D打印技术的快速发展彻底改变了混凝土作为3D可打印材料的使用。Kothman和Faber指出了3D打印混凝土的显著制造优势，包括缩短交付周期、集成功能和减少材料使用，这能够简化建筑供应链，并最大限度地减少物流工作。不过，吴等人指出，尽管3D打印有其优势，但与其他行业相比，3D打印在建筑行业的应用速度较慢。Teizer等人强调了公众意识在推动建筑公司探索利用3D打印的替代建筑工艺方面的重要性。然而，Jakus认为3D打印的快速发展更多的是受到重要的法律、社会事件和团体的影响，而不是重大的技术突破［19］。

根据可持续发展目标，约翰斯顿强调，到2030年需要关于可持续做法和生活方式的相关信息。Oke等人强调了政府支持、负担得起的数字工具、强大的信息系统、技术意识以及地方研发对加强数字技术和促进合作的重要性。全球对3D打印技術能力的认识得到了提升，3D打印技术在学术和临床研究机构中被迅速采用。由此，3D打印技术不仅成为现有研究的重要工具，也成为研究的主题。

3D打印技术源于基于计算机辅助设计（CAD）图纸的3D结构的逐层制造，目前已经成为一种创新和通用的技术。它为寻求提高制造效率的公司提供了机会，可以打印各种材料，包括热塑性塑料、陶瓷、石墨烯基材料、金属等。此外，它给消费者在最终产品中更多的投入，形成了定制的规格。随着生产设施越来越贴近消费者的生活场景，生产过程变得更加灵活、快速和受质量控制，同时通过车队跟踪技术减少了运输需求，从而节约了能源和时间。这项技术在农业、医疗保健、汽车、航天工业等行业应用广泛，促进了大规模定制和开源设计。

然而，在制造业中采用3D打印技术也面临一定的挑战。值得注意的是，这可能减少对劳动力的需求，影响依赖低技能工作的经济体。此外，3D打印对各种物体（包括枪支等危险物品）的可访问性也引发了一系列安全问题，限制其使用权限是必要的，以防恐怖分子和罪犯滥用。同时，从蓝图生成三维物体的容易性增加了伪造的风险，须采取措施解决知识产权问题。

本文关注可持续发展能力方面，着力探索革新可持续建筑实践的生态友好型材料，如大体积粉煤灰、地质聚合物、再生玻璃骨料等。此外，还深入分析了不同的3D打印方法，包括挤压法和粉末打印，重点介绍其优势、挑战和潜在应用。通过强调可持续性、深入分析3D打印方法、确定研究差距和实际建议，旨在为3D打印技术及其在可持续建设中的应用潜力的研究作出贡献，为建筑行业的研究人员、从业人员和决策者提供借鉴。

1 3D打印方法

1.1 挤压法

挤出能力是混凝土从喷嘴中流出的能力，根据不堵塞喷嘴即可打印的混凝土膏来进行评估，打印的混凝土浆料应无裂缝和分离。可挤出性取决于明确的混合特性和喷嘴校准，如果喷嘴标定不正确，混凝土就会卡在泵管内。混凝土是依赖于时间的，因此它会影响整个混合料。如果混凝土未被正确挤出，结构就会失效，从而影响层间结合。在多数情况下，大型龙门机器会用于打印，但这需要很长的制造时间，因此，为了避免大规模现场工作时间的延迟，引入了机械臂。同时，为了满足数字挤出混凝土的超高需求，打印材料应具有触变性、快速水化、快速凝固、致密性，并且要控制好屈服强度和塑性黏度等性能。此外，规模、周围环境、支撑和装配策略等多种参数也可用于数字混凝土浇筑。挤压法是数字混凝土中应用最广泛的方法，在许多建筑公司中越来越受欢迎。

1.2 粉末打印

粉末打印是一个附加的制造过程。在这一过程中，通过将液体黏合剂挤压到粉末床中来制造理想的组分，这种液体黏合剂在粉末撞击床的地方黏结粉末。下层为3 mm厚，涂上一层约0.1 mm厚的新粉末，滚筒使床面最光滑。当特定层完成时，黏合剂进料器将黏合剂溶液送入打印头，并通过喷嘴将其推出。黏合剂溶液的工作流程是按需滴加（DOD）过程，随后是去粉过程，清除多余的废物，热处理或浸渗工艺可提高强度和耐久性。非挤压式3D打印技术是一种原位方法生产预制混凝土部件的技艺，适用于小型组件，如面板、永久性模板和内部结构等，可以在现场连接。为了制造模板，使用基于水泥或非水泥的材料，黏合剂通过喷嘴被挤压成粉末，将粉末颗粒黏合在一起。在确定合适的工作步骤后，即可取出部件，并可在干燥一段时间后再次取出，可用鼓风机清除未结合的尘埃。然后，将该功能交付至施工现场，进行组装和安装。

粉末打印的打印机和打印材料存在一些局限性。与挤压法相比，打印机是小型或中型的，因此，对更重要成分的要求可能很复杂。具体而言，有几个因素会影响打印速度，黏合剂喷墨速度和粉末铺设速度是主要因素，所以它们必须平行，以提高打印速度。打印材料的可用性是另一个问题触变性，能够快速干燥，快速凝固致密，需要良好的控制性能，如屈服强度和塑性黏度。

2 可持续建筑和可持续材料

可持续建筑要满足当今基础设施、工作和生活环境的要求，同时不损害后代满足需求的能力。基于挤压的3D混凝土打印技术中使用的大多数可打印水泥材料都是基于波特兰水泥的黏合剂（OPC）。在OPC生产过程中，大量的二氧化碳被释放到大气中，此外，OPC生产还会消耗大量能源。使用OPC基材料时，这两个因素都会影响3D混凝土打印技术的鲁棒性。因此，需要开发适用于3D混凝土打印技术挤出工艺的非OPC材料。各种低二氧化碳排放的环保材料也可用于3D打印，如粉煤灰、地质聚合物和回收玻璃均是工业中使用的环境友好型材料。

2.1 高掺量粉煤灰

基于粉煤灰材料的粉煤灰混凝土是可持续混凝土结构打印的可能替代品。粉煤灰是煤炭工业的残留物和衍生物，携带一些有害金属，这些金属会伤害土壤，并造成空气污染。因此，SC3DP-NTU（新加坡3D打印中心）研究提出了一种适用于3D混凝土打印应用的大体积粉煤灰配方，这种配方可以减少对环境的影响，改善建筑材料的长期强度性能。

2.2 地质聚合物

地质聚合物是一种不含水泥的黏合剂，可以代替OPC，是聚合过程的结果。在聚合过程中，用碱性溶液激发硅酸铝源（如高炉矿渣或粉煤灰）。例如，灰基地质聚合物中二氧化碳的消耗和排放分别比OPC低60%和80%。地质聚合物不仅是绿色的和可持续的，而且特别适合挤出3D打印。其具有可变的凝固特性，且比OPC更耐用。

2.3 再生骨料

要制造混凝土，需要混合水泥、水和几种骨料，如沙子和砾石等。骨料是至关重要的，因为它们充当着混凝土混合物的黏合剂。尽管海底或沙漠的沙子供应丰富，但世界范围内仍然面临建筑用沙短缺的问题。这主要是由于海砂和沙漠砂的性质不适合用于建筑，只有河砂可以用于建筑。因此，在建筑资源有限的情况下，需要采用另一种解决方案来满足不断增长的需求，即循环使用由适合的建筑垃圾制成的再生骨料。

2.4 3D打印技术在可持续建筑中的优势

首先，3D打印技术可以快速构建可持续建筑物。这种快速构建方式有助于大大缩短建筑周期，节省建设时间和成本。其次，相比于传统的建筑方式，3D打印建筑的精确度更高，可以更好地保证可持续建筑物的质量。最后，3D打印技术能将建筑物的设计图纸直接转化为实体，从而避免了传统建筑方式中的浪费情况，节约了材料和成本。

3 结语

3D打印混凝土技术在解决现代建筑行业面临的可持续性挑战方面具有巨大潜力，为创新设计的可能性提供了机遇。随着施工的推进，预计施工将包含一个结合传统和附加制造方法的集成过程，这项变革性技术将促使建筑行业转型升级。如果3D打印技术继续以目前的速度发展，就可能彻底改变整个施工过程。建筑行业运用3D打印技术有许多好处，包括降低成本、增强对恶劣天气条件的适应能力、减少材料浪费、减少二氧化碳排放和能源消耗等。同时，3D打印技术的另一个优势是安全性，它可以减少现场伤亡，由打印机承担危险任务，并精准地加快建筑施工。在受灾地区，数百万人无家可归，3D打印有潜力快速建造永久性住房，提供必要的服务，为有需要的人带来一线希望。

随着研究的不断深入，持续的理解、实验和实际应用将在建筑和施工领域发挥关键作用，能够最大限度地利用3D打印技术的真正力量。尽管会产生潜在工作岗位流失的影响，但这一技术在可持续性、效率和响应性方面的优势不容忽视。3D打印技术将引领一个可持續和创新建筑实践的新时代，重塑该行业未来的发展格局。

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作者简介：王毅飞（2002—），男，江苏盐城人，本科在读，研究方向：智慧城市、建筑设计。