混凝土3D打印技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

祝云，陳景，劉東，徐國棟

（中建西部建設(shè)西南有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

3D 打印技術(shù)有著普通施工技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢，使其得到了迅速發(fā)展。從80年代的初步了解，到90年代的熟知，3D 打印技術(shù)經(jīng)歷了從天馬行空到掀起研究熱潮的歷程，目前已被廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)、藝術(shù)設(shè)計、工業(yè)生產(chǎn)等多個領(lǐng)域[1-3]。被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命重要標(biāo)志”的 3D 打印技術(shù)，對現(xiàn)今社會產(chǎn)生了巨大的沖擊，是一種可以改變世界的創(chuàng)造性科技[4]。

混凝土作為建筑工程的核心，為人類社會做出了重大貢獻(xiàn)。隨著可持續(xù)發(fā)展社會的腳步，混凝土材料向著高強(qiáng)、超高強(qiáng)性能方向發(fā)展。發(fā)展更加優(yōu)異性能的材料同時，也就伴隨著材料施工設(shè)備、人力等資源的消耗，這就需要為混凝土的綠色可持續(xù)發(fā)展開發(fā)出一種新的技術(shù)。

本文通過對混凝土 3D 打印的發(fā)展現(xiàn)狀、原理及研究應(yīng)用案例進(jìn)行分析認(rèn)識，來總結(jié)其在建筑領(lǐng)域所面臨的問題，并對其發(fā)展前景進(jìn)行展望。

1 混凝土 3D 打印技術(shù)

1.1 研究現(xiàn)狀

3D 打印技術(shù)與混凝土技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于建筑領(lǐng)域不僅能最大限度地縮短施工工期、降低成本、節(jié)約人力資源、減少廢棄物產(chǎn)生，而且能創(chuàng)造出更加精細(xì)化的產(chǎn)品，提高我國建筑領(lǐng)域的創(chuàng)新能力，推動我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

3D 打印技術(shù)最早起源于19世紀(jì)末，30 多年來，通過學(xué)者們的研究，使其技術(shù)成熟，是目前全球最尖端的技術(shù)之一。1988 年，美國 3DSystems 公司發(fā)明生產(chǎn)了第一臺 3D 打印機(jī)，開創(chuàng)了 3D 打印世界。2012 年英國拉夫堡大學(xué)開發(fā)了一套適于商業(yè)用的混凝土 3D 打印技術(shù)，并與著名建筑設(shè)計公司（Foster + Partners）和施工公司（Skanska）合作，借助軟件控制，在2014年利用水泥基漿體材料成功打印出混凝土墻體和構(gòu)件等[5]（見圖1）。

圖1 拉夫堡大學(xué) 3D 打印的混凝土構(gòu)件

美國航天局與南加州大學(xué)合作，研發(fā)出“輪廓工藝”3D 打印技術(shù)，24h 內(nèi)打印出來一棟約 2500(ft)2的空心墻壁、質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高的兩層樓房（圖2）。據(jù)介紹，還節(jié)省了 45%～55% 人力，大大降低了成本，縮短了工期，豐富了建筑美感，符合全球經(jīng)濟(jì)及環(huán)保效益[6-7]。2010 年，意大利 Enrico 教授發(fā)明了一種新的數(shù)字打印機(jī)，其打印材料為細(xì)骨料和膠凝材料，并在2014 年打印出高 4m，建筑質(zhì)地、強(qiáng)度均可媲美于大理石的無需內(nèi)置鋼筋的建筑物[8]。

圖2 “輪廓工藝”3D 打印的樓房

我國從90年代開始也在致力于研究 3D 打印技術(shù)，并且在生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域取得了重大突破，與國際水平相當(dāng)[9-10]。3D 打印技術(shù)自問世以來，之所以得到如此快的發(fā)展，與其有著不可比擬的優(yōu)勢是離不開的，不僅可以提高我國新產(chǎn)品的水平，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長，而且能夠推動我國向著工業(yè)大國的發(fā)展。我們有理由相信，發(fā)展 3D 打印技術(shù)將是我國制造技術(shù)的關(guān)鍵，也將是各個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域及經(jīng)濟(jì)組織模式的變革。

1.2 3D 打印原理

3D 打印技術(shù)又稱為增材制造技術(shù)，是快速成型技術(shù)中的一種，是通過程序控制一層一層打印堆積形成的三維結(jié)構(gòu)，也即遵循加法原則。從原理上來分，一般分為兩類：一類是選擇性沉積打印，打印機(jī)噴頭擠出膠凝性或粉末性材料，再按設(shè)計軌跡逐層疊加起來（圖3）；另一類是選擇性黏合打印，通過黏合劑將材料黏成三維實體結(jié)構(gòu)。

圖3 3D 打印原理圖

目前，在建筑領(lǐng)域通常選用第一類打印機(jī)理來實現(xiàn)，借助 CAD 軟件來將建筑結(jié)構(gòu)數(shù)字化，可實現(xiàn)異地分散制造；將三維結(jié)構(gòu)分解為二維，可制造出復(fù)雜的、普通施工技術(shù)無法完成的結(jié)構(gòu)；采用從下而上堆積，一次性制造完成。采用這種打印機(jī)理與建筑所用材料性質(zhì)是分不開的，并且此類技術(shù)工藝采用全自動、現(xiàn)場制造，更加快速、高效，所耗費的成本低，經(jīng)過精確計算所需用的數(shù)量，可以避免材料浪費，貫徹落實十三五規(guī)劃綠色發(fā)展理念，改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，實現(xiàn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。發(fā)展混凝土 3D 打印技術(shù)，是《國家增材制造發(fā)展推進(jìn)計劃》及《中國制造 2025》中的重要組成部分，尤其在我國大力發(fā)展建筑業(yè)期間，發(fā)展混凝土3D 打印技術(shù)就是推進(jìn)我國 3D 打印產(chǎn)業(yè)的主要動力。

1.3 存在的問題

1.3.1 混凝土材料

3D 打印技術(shù)在建筑業(yè)的發(fā)展相對比較緩慢，其至關(guān)重要的原因就在于材料問題。3D 打印對混凝土材料要求較高，具體為：（1）凝結(jié)時間足夠短，混凝土從打印噴頭出來要迅速初凝，以保證混凝土在往上堆積過程中不產(chǎn)生變形、倒塌；（2）流動性好，以確保在管道輸送過程中不會產(chǎn)生堵管現(xiàn)象；（3）強(qiáng)度高，混凝土強(qiáng)度必須滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，能夠承受自重及動負(fù)荷；（4）粘度高，打印過程中層與層之前要有足夠的黏度來黏合，以確保層間所需作用力；（5）可塑性好，打印過程中結(jié)構(gòu)并無支撐，良好的可塑性保證成型制造過程正常進(jìn)行。

李旋[11]通過正交試驗來研究混凝土的最佳配合比，并以跳桌試驗和 P—S 曲線等來描繪、表征材料的流動性指標(biāo)及塑性承載力和其他性能指標(biāo)。對于 3D 打印材料的問題，還需進(jìn)行更多研究；對于不同地方，環(huán)境不同，所用原材料性質(zhì)不同，還需進(jìn)行更多嘗試。

1.3.2 相關(guān)配套

建筑物達(dá)面積相對較大，形狀各異，這就對 3D 打印相關(guān)配套提出了更多要求。打印機(jī)整體要性能優(yōu)異、出料嘴及噴嘴要精度準(zhǔn)確，根據(jù)構(gòu)件不同要適當(dāng)調(diào)整，且集料與噴嘴要保證匹配。

軟件是 3D 打印的核心，由三部分構(gòu)成，分別是：建模、切片、三維行程控制軟件。建模軟件以 CAD、3Dmax 等支持 STL 格式的軟件為多；切片軟件的主要任務(wù)是轉(zhuǎn)碼，即將 STL 格式轉(zhuǎn)換成 G 代碼；三維行程控制軟件則負(fù)責(zé)讀取并完成打印，也是其中最重要的一步。

1.3.3 打印技術(shù)

我國 3D 打印技術(shù)發(fā)展與國際相比表面上無太大差異，實則差距明顯，主要是質(zhì)量控制上存在瓶頸。表現(xiàn)為材料自身性能較差，拌出的混凝土性能不理想，導(dǎo)致強(qiáng)度不合格，存在一定安全隱患。

建筑物打印尺寸、精度、效率、穩(wěn)定性方面還不盡人意。打印速度過快，容易出現(xiàn)變形；過慢，影響粘結(jié)強(qiáng)度，穩(wěn)定性得不到保證，在建筑物的精度和打印速度之間存在嚴(yán)重沖突。

打印工藝的設(shè)計影響混凝土的供應(yīng)，中期磨平影響構(gòu)件的美感，后期維護(hù)影響打印質(zhì)量。

2 工程應(yīng)用

2.1 上海青浦園區(qū)打印屋

全球首批 3D 打印實用建筑房屋是上海盈創(chuàng)公司自主研發(fā)的 6.6m×10m×150m 的 3D 打印設(shè)備，并在 24h內(nèi)以建筑垃圾、高標(biāo)號水泥和玻璃纖維為原料所打印出來的十幢有著紋理的完整的房子[12-13]。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，此建筑比傳統(tǒng)建筑強(qiáng)度更高、質(zhì)量更輕；通過填充保溫材料使得墻體成為自保溫墻體；通過在打印過程中程序設(shè)置給房屋的梁和柱預(yù)留空間，解決墻體結(jié)構(gòu)的承重問題；根據(jù)需要，任意改變房屋形狀，滿足設(shè)計者創(chuàng)意，并且可在高層建筑中使用，設(shè)計圖如圖4。此次 3D 打印建造中對建筑垃圾進(jìn)行再利用，實現(xiàn)了將建筑垃圾變廢為寶，保護(hù)環(huán)境；顯著縮短了工期；房屋平均造價僅為 2～3 萬元，降低了大約一半成本；3D 打印技術(shù)的使用，同樣降低了建筑能耗。

圖5 為上海青浦園區(qū)打印屋效果圖和實景圖。

圖4 3D 打印100米下及100米上建筑

圖5 上海青浦園區(qū)打印屋

2.2 混凝土城堡

美國工程師 Andrey Rudenko 利用 3D 打印技術(shù)完成了三維混凝土城堡的制造，城堡的墻體與塔頂先分別制造，再組合拼接完成。此城堡大小與現(xiàn)實建筑物無異，共有大小三個堡壘，其中較小堡壘頂是由一個人字形塔尖所構(gòu)成（圖6）。Andrey 本人還說道：3D 打印技術(shù)已經(jīng)成熟，可以打造出無限量的古典裝飾，建筑設(shè)計師可以將設(shè)計理念、復(fù)雜工藝、施工工藝運用到工程項目中，這也必將是未來建筑設(shè)計的發(fā)展方向。

圖6 混凝土城堡

2.3 未來辦公室——世界首個 3D 打印辦公樓

2016 年5月世界首個占地面積約 250m2的 3D 打印辦公樓在迪拜落地（圖7），這座未來辦公室是用長達(dá)37m、高約 6m、寬約 12m 的 3D 打印機(jī)，特種水泥混合物為材料，先在上海層層打印出混凝土構(gòu)件，再運到迪拜安裝完成[14-16]。整個建筑實用性已在中國、英國相繼完成，各種性能均符合建筑要求。室內(nèi)設(shè)計風(fēng)格（大部分家具也是由 3D 打?。┦且栏接?Bene 的理想實驗室概念，給人以小巧、現(xiàn)代的美感，僅用17天就完成了整棟樓的建造。打印工程無需現(xiàn)場施工，節(jié)約建筑成本約 80%，降低勞動力成本約 60%，大大降低了建筑材料浪費，約 60%。并且，迪拜方面還聲明，3D 打印技術(shù)將是建筑設(shè)計的主要創(chuàng)造力，此座辦公樓是由七國聯(lián)盟攜手打造出來的擁有尖端技術(shù)的新型建筑，這只是一個開端，未來世界將會因 3D 打印技術(shù)而改變。

圖7 未來辦公室

2.4 可移動混凝土 3D 打印機(jī)

瑞典 Lund 大學(xué)教授 Olaf 的增材制造團(tuán)隊研發(fā)出了一臺使用機(jī)器人臂改裝的，采用鋁質(zhì)材料制造并可去除底部裝置的可移動混凝土 3D 打印機(jī)。同時，為了降低成本，設(shè)計打印機(jī)采用直徑為 100mm 的孔鏜削螺旋鉆來輸送混凝土[17]。

打印機(jī)在打印過程中將打印頭轉(zhuǎn)換為 Rapid 代碼路徑，依靠 Matlab 軟件結(jié)合另一種算法來保證混凝土的連續(xù)輸出質(zhì)量及它的機(jī)械性能。理想狀態(tài)下，這臺打印機(jī)能夠進(jìn)入指定位置，鎖定對象，完成之后移動到下一個目標(biāo)位置，方便工程實施。一方面，因打印機(jī)隨時移動，與普通打印機(jī)相比噴頭裝置無需大面積升降、旋轉(zhuǎn)，降低裝置損壞率，減少維修費用；另一方面，可以加快施工速度，避免因工程面積大導(dǎo)致所需用大型號打印機(jī)，同時型號變大不僅增加了制造費用，而且混凝土輸送距離變遠(yuǎn)，打印速度隨之降低。可見開發(fā)并優(yōu)化可移動式混凝土 3D 打印機(jī)對降低成本是多么重要，是3D 打印技術(shù)的發(fā)展的進(jìn)步，也是建筑業(yè)發(fā)展的必須，環(huán)境的保障，人類的福利?？梢苿踊炷链蛴C(jī)見圖8。

混凝土打印噴頭設(shè)計：1. PVC 管道 Y 管；2. PVC 管帽；3. 3D 打印噴嘴座；4. 可替換噴嘴；5. 刮水電機(jī)；6. 100m 柱塞鏜孔螺旋鉆；7. PVC 管帽；8. 電動機(jī)聯(lián)軸節(jié)；9. 印刷頭安裝支架；10. 電機(jī)安裝板

圖8 可移動混凝土 3D 打印機(jī)

2.5 荷蘭風(fēng)情運河屋

荷蘭風(fēng)情運河屋（圖9）是由 DUS 建筑事務(wù)所設(shè)計，采用約 3.5m 高的特大型 3D 打印機(jī) KamerMaker逐層打印，再以樂高積木方式堆積而成，共有13個房間[18-19]。整個建造過程采用透明式，即：參觀者根據(jù)自己的興趣參與整個建造過程，體驗 3D 打印技術(shù)的震撼。

圖9 荷蘭風(fēng)情運河屋

3 前景展望

隨著建筑業(yè)的智能化、自動化、高度集成化，和材料、信息、控制技術(shù)的不斷優(yōu)化及資源最大利用化，混凝土 3D 打印技術(shù)將推動建筑工業(yè)化的實現(xiàn)，未來發(fā)展平臺將更加廣闊。為了改善環(huán)境，使世界萬物生存和諧，走可持續(xù)發(fā)展道路，3D 打印技術(shù)務(wù)必要引起重視。如今，混凝土 3D 打印技術(shù)還處于研究發(fā)展階段，在原材料的選擇、破碎工藝、配合比設(shè)計方面可以建立新的設(shè)計理念，改善混凝土材料性能；軟件控制方面，要進(jìn)一步提高、優(yōu)化其便捷化和智能化程度；質(zhì)量控制方面，要著重、加強(qiáng)研究打印速度、精度和穩(wěn)定性，保證三者之間表現(xiàn)為協(xié)調(diào)和促進(jìn)關(guān)系，確保建筑質(zhì)量、消除安全隱患、延長建筑服役壽命等。

《國家增材制造（3D 打印技術(shù)）發(fā)展推進(jìn)計劃》及《中國制造 2025》中明確指出，我國急需發(fā)展增材制造技術(shù)這一同類先進(jìn)技術(shù)來加快我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變。當(dāng)前，應(yīng)該把握好機(jī)遇，整合行業(yè)資源，實現(xiàn)混凝土 3D 打印技術(shù)的跨越式發(fā)展。盡管還有得時日，但是該技術(shù)的應(yīng)用普及推廣是注定的，3D 打印建筑必將是行業(yè)內(nèi)的新標(biāo)桿。