3D打印建筑技術研究與應用綜述

于澤

摘要：3D打印技術在近半個世紀得到了廣泛的關注，在制造業(yè)已取得了巨大的成功。建筑工業(yè)化是世界建筑行業(yè)未來發(fā)展的趨勢，3D打印建筑技術也將會是建筑工業(yè)化發(fā)展的一個重要方向。本文從現(xiàn)有較成熟的幾類3D打印建筑技術入手，客觀闡述了3D打印建筑技術目前的現(xiàn)狀，3D建筑打印材料與工藝的分析以及所存在的問題。

關鍵詞：3D打印材料；建筑；混凝土；3D打印建筑技術

中圖分類號：TP334.8；TU18文獻標識碼：A文章編號：1674-3024（2017）02-0003-02

引言

3D打印技術起源于上世紀80年代，根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）3D打印技術委員會（F42委員會）公布的定義，3D打印是一種與減材制造和等材制造等傳統(tǒng)的制造技術迥然不同的，以模型的三維數(shù)據(jù)為基礎，通過打印機嘴擠出材料，逐層打印增加材料來生成3D實體的技術，因此又稱為增材制造（AM，Additive Manufacturing）。目前，3D打印技術正在被運用到越來越多的行業(yè)，比如航空航天、醫(yī)學醫(yī)療、藝術設計等。

3D打印技術同樣引發(fā)了建筑業(yè)追捧的熱潮。當代建筑用量最大、范圍最廣、最經濟的建筑材料一混凝土雖然只發(fā)展了不到200年的時間，但其已然成為應用最廣的建筑材料，為人類文明的發(fā)展貢獻了不可替代的價值。隨著工業(yè)化進程的不斷加快，混凝土材料在生產方面的較高能耗和污染的弊端也逐漸地顯露出來，嚴重阻礙了其發(fā)展。以3D打印為基礎的3D打印建筑技術作為一種新興技術，將成為傳統(tǒng)建筑工業(yè)化發(fā)展史上的一大重要轉折點。

1.3D打印建筑技術現(xiàn)狀

2012年1月，美國航天局（NASA）與南加州大學合作開發(fā)出“輪廓工藝”（Contour Craftings）3D打印技術。2013年1月，荷蘭設計師Janjaap Ruijssenaars計劃使用3D打印技術建造莫比烏斯環(huán)建筑。同年1月，歐洲航天局聯(lián)合建筑公司Forster等公司研發(fā)月球空間站3D打印項目，計劃利用月球土壤和其他添加劑完成部分建筑建材的生產。2013年2月，英國設計師Softkill Design建立一項用纖維尼龍為結構材料建設民用住房的研究。2013年3月，荷蘭公司DAS聲稱將建造3D打印運河屋，于2014年1月實現(xiàn)了運河屋組件的3D打印，預計三年時間建設組裝完成。2013年1月，中國的盈創(chuàng)公司在利用高標號水泥、玻璃纖維和部分添加劑完成了10棟上海青浦工業(yè)園區(qū)臨時設施的打印，2015年2月盈創(chuàng)又陸續(xù)完成了通過3D打印構件拼裝成的2層別墅和6層住宅、一體化打印成型的迪拜城市博物館小屋等建筑?？傮w而言，從2012年開始3D打印建筑技術在世界范圍內出現(xiàn)了百家爭鳴的現(xiàn)象，比較主流的3D打印建筑技術有D-shape、輪廓工藝和盈創(chuàng)3D打印體系。

1.1D-shape 3D打印建筑技術

D-shape 3D打印建筑技術由Monilite UK的創(chuàng)始人EnricoDini先生發(fā)明。根據(jù)Monilite UK網(wǎng)站顯示資料，該技術使用的是普通的沙子和無機粘結劑，可打印二層住宅，打印內容除了主體結構之外還包括樓梯、內隔墻、柱、屋頂以及管道預留孔洞。D-shape技術打印出的材料無論是外觀還是物理性能都可以跟大理石媲美，且其耐久性甚至要好于石膏和加強混凝土。

D-shape所使用的工藝與現(xiàn)在主流的工業(yè)打印技術（激光選區(qū)熔化技術原理）類似。一個巨形3D打印機內先鋪滿一層沙子和固體催化劑混合物，打印機噴嘴按照預先預設好的路徑噴射液體粘合劑，粘合劑與催化劑接觸后啟動固化程序，沙子被包在里面起結構支承作用，該層打印完成后再重新鋪設一層沙子與催化劑的混合物繼續(xù)打印下一層直至打印完成。整體建筑的固化耗時24小時，但5-10mm厚的單層材料在打印期間可以形成足夠的強度支撐下層的打印，打印期間無需停頓。

目前，Manilite公司參與了一項由Foster and Palter公司發(fā)起的“3D打印月球基地開發(fā)計劃”，具體為一個四人間大小的月球基地。該房屋的底座由模塊化管道組成，上面是充氣式圓頂，然后以月球土壤為基礎材料，目前已經利用D-shape技術模擬月球土壤成功制造了1.5噸重的實物模型；D-shape打印機也在模擬月球環(huán)境下進行了測試。

1.2輪廓工藝

美國南加利福尼亞大學（University of Southern Califomia）的比洛克·霍什內維斯（Behrokh Khoshnevis）教授發(fā)明的輪廓工藝（Contour Craftings）是一種由數(shù)字控制的建造工藝，通過分層制造技術，可以直接按照計算機模型制造部件。由于無需使用傳統(tǒng)混凝土施工中的模板，輪廓工藝可以大大降低成本和建造時間。

輪廓工藝的原理與傳統(tǒng)3D打印所謂的按層擠出材料打印技術類似，通過一個可移動的噴嘴根據(jù)設計圖的指示，在指定地點噴一圈半流體的混凝土材料，就像在桌子上擠出一圈牙膏一樣，為達到連續(xù)打印的要求，混凝土材料會在下一層打印之前初步形成強度。泥刀作為整個技術的關鍵部分，負責抹平和精確規(guī)整每一層的外表和頂面。泥刀的出現(xiàn)解決了在實際建筑過程中由于打印建筑產生的層級堆積效應而導致的表面粗糙，橫向條紋明顯的現(xiàn)象。噴嘴和泥刀逐層打印出建筑構件的內外殼，再通過擠壓、澆灌或注入來填充內核，作為結構加固的擠壓模型系統(tǒng)。

“輪廓工藝”的工作速度非?？?，24小時之內能打印出一棟兩層樓高、2500平方英尺（約合232平米）的房子。根據(jù)Khoshnevis教授的專訪，他已經成立了一家公司，商業(yè)化運作Contour Craftings技術，目前該技術正在接近各種應用。目前Khoshnevis教授的公司已經完成了石膏板材料的打印，不久將打印保溫材料。未來還將實現(xiàn)布線功能。對于該項技術在月球上的應用，Khoshnevis教授目前正在與NASA（美國宇航局）合作，進一步發(fā)展3D打印在太空中的應用，目前已經成功地展示了將該技術稍加變化后應用于火星或月亮上的可行性。

1.3盈創(chuàng)3D打印體系

盈創(chuàng)體系發(fā)明人馬義和先生在全球范圍內首先嘗試了3D打印技術在建筑領域的實際應用。迄今盈創(chuàng)已面向全球發(fā)布了其10套3D打印簡易房屋、3D打印構建拼裝的兩層別墅和六層住宅，還有一系列的一體化3D打印建筑產品。

盈創(chuàng)3D打印建筑體系主要由“打印膜殼”、填充材料和配筋構成。其中膜殼打印的原材料主要由水泥、沙子、玻璃纖維和添加劑構成。短玻璃纖維摻雜在細骨料混凝土中在一定程度上起到了結構加固的作用。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，3D打印出的墨在形成強度后平均寬度30mm，厚度18mm。預制配筋分兩種，橫向配筋在需要插入的位面打印完成后鋪設；豎向配筋在打印完成后放入“膜殼”填充層，澆灌混凝土填實。目前其膜殼強度相當于C20混凝土強度，但由于玻璃纖維的加入，其抗折、劈拉強度和軸心抗壓強度均比較優(yōu)秀。目前盈創(chuàng)的3D打印產品急需標準的建立來融入中國建筑市場體系。

2.3D打印建筑混凝土材料與工藝分析

3D打印建筑技術目前仍面臨材料方面的瓶頸。2012年，英國拉夫堡大學的研究正研發(fā)出新型的混凝+3D打印技術，在計算機軟件的控制下，使其具有高度可控制擠壓性的水泥基漿體，完成精確定位混凝土面板和墻體的孔洞打印；荷蘭人采用了塑料及樹脂類的材料；美國人采用樹脂砂漿類、黏土類、混凝土類等技術處理作為3D打印建筑材料；據(jù)公開資料披露，上海盈創(chuàng)所使用的3D打印材料為玻璃纖維增強混凝土。

盈創(chuàng)目前的3D打印建筑體系仍然是打印建筑構件加拼裝的體系。同濟大學曾于2014年12月14日對其打印構件的膜殼出具《3D打印建筑結構材料性能測試總結報告》，報告中說明，其3D打印材料強度相當于C20混凝土，早期強度較高，后期強度增長乏力，在標準養(yǎng)護條件下28d后強度基本不增長；打印材料的靜彈性模量為1.5*104MPA，為28d抗壓強度相似的砂漿的50%；打印材料吸水率3.7%，遠低于一般水泥基材料，可能原因是打印材料中含有增稠劑；打印材料與C20混凝土耐久性基本持平，抗?jié)B標號P6，抗凍標號D150；打印材料抗氯離子滲透值達2000cc以上，遠低于耐久性混凝土。根據(jù)報告結果分析，盈創(chuàng)3D打印材料強度、抗腐蝕性均需改進，該材料仍不適合作為結構構件出現(xiàn)在建筑體系中，僅可作為內隔墻等非承重建筑構件使用。若能在控制成本的前提下，將打印材料的強度、耐久度、與鋼筋的結合能力提升上來，結合其3D打印技術的優(yōu)勢，盈創(chuàng)3D打印體系會在未來的建筑工業(yè)化市場中占有一席之地。

3.3D打印建筑技術存在的問題與發(fā)展

3D打印建筑雖然比傳統(tǒng)的建筑具有施工周期短、建筑造型豐富、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點。但作為一種尚在研發(fā)階段的新型技術，仍存在以下的問題：

（1）原材料的問題

原材料仍然是制約3D打印建筑技術發(fā)展的重要瓶頸。盈創(chuàng)雖然已經研發(fā)出可達到打印要求的纖維加強改性混凝土材料，但其各項性能均無法達到結構構件的要求。此外3D打印建筑的耐久性以及玻璃纖維裸露對人體的危害尚未得到證實。

（2）設計軟件的問題

軟件是3D打印的重要部分，是將模型數(shù)據(jù)化的重要環(huán)節(jié)。與傳統(tǒng)混凝土施工不同的是，3D打印建筑技術需要構建3D建筑模型，現(xiàn)在的設計單位普遍使用的是CAD制圖。目前，我國還沒有專業(yè)的設計團隊與3D打印相配套，形成完整的產業(yè)鏈。

（3）打印設備的問題

隨著3D打印設備制造發(fā)展迅速，3D打印技術在不斷的走向大眾，走進各個領域。然而3D建筑打印設備目前十分笨重，拆卸復雜，機動性有限，3D打印構件生產只能在工廠完成，暫無現(xiàn)場打印案例。3D打印建筑構件自重大，運輸成本占據(jù)了產品成本很大比例。若能實現(xiàn)現(xiàn)場打印，可大幅度降低3D打印生產的成本。

（4）標準體系問題

任何一個新技術從誕生到實際應用面向市場都需要標準體系的支撐。由于3D打印技術與傳統(tǒng)施工工藝不同，3D打印建筑的驗收標準也與傳統(tǒng)建筑不同，無論是3D打印建筑構件還是整體3D打印建筑需要融入建筑市場體系，相關技術標準和價格體系的建立勢在必行。