建筑3D打印技術(shù)及材料的研究進(jìn)展

李小龍 王棟民

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

0 前言

信息化和數(shù)字化是現(xiàn)代社會(huì)各行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，世界正面臨史上的“第三次工業(yè)革命”浪潮[1-2]。增材制造技術(shù)作為數(shù)字化技術(shù)中的新興技術(shù)，又稱(chēng)為3D打印技術(shù)。3D打印的思想起源于19世紀(jì)末的美國(guó)，并在20世紀(jì)80年代得以發(fā)展推廣。由于打印速度快、成本低，且能打印復(fù)雜形狀的模具、零件等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)[3-4]，3D打印在航天航空、生物醫(yī)療、珠寶制作、食品以及模具制造等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5-6]。相比于上述各領(lǐng)域，3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)發(fā)展相對(duì)緩慢，建筑業(yè)在3D打印技術(shù)中占比較小，限制其在建筑業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素就是材料，傳統(tǒng)的水泥與混凝土難以滿(mǎn)足3D打印技術(shù)在建筑中的應(yīng)用要求，亟待研究開(kāi)發(fā)具備良好可擠出性和可建造性、凝結(jié)速度適宜的水泥基3D打印材料[7]。相對(duì)于傳統(tǒng)建造技術(shù)（圖1），建筑3D打印技術(shù)不僅可以縮短建筑時(shí)間，還可以降低建筑成本，節(jié)約勞動(dòng)力，提高建筑安全保障[8-9]。

圖1 新建混凝土建筑的典型支出分布[13]Fig.1 Expenditure distribution for new concrete buildings

建筑3D打印技術(shù)是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，采用以膠凝材料、骨料、摻合料、外加劑、特種纖維等材料為主制成的特殊“油墨”，利用計(jì)算機(jī)制圖將建筑模型轉(zhuǎn)換為三維設(shè)計(jì)圖，通過(guò)分層加工、疊加成型的方式逐層增加材料將建筑物打印建造出來(lái)的技術(shù)[6,10]，其本質(zhì)是綜合利用管理、材料、計(jì)算機(jī)與機(jī)械等技術(shù)的特定組合完成工程建造的技術(shù)[11]。建筑3D打印技術(shù)示意圖和打印機(jī)械如圖2所示，基本原理如圖3所示[12]。

圖2 建筑3D打印技術(shù)示意圖（a）和打印設(shè)備（b）Fig.2 Architectural 3D printing technology diagram (a)and printing equipment (b)

圖3 3D打印建造的基本原理Fig.3 Basic principles of 3D printing construction

1 3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r

3D打印的思想起源于19 世紀(jì)末的美國(guó)，但美國(guó)在2009年之后才開(kāi)始3D打印技術(shù)的發(fā)展。美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)（American Society of Testing Materials,ASTM）于2009年成立了專(zhuān)門(mén)的3D打印技術(shù)委員會(huì)F42，推動(dòng)3D打印相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建立和3D打印技術(shù)在各領(lǐng)域的快速發(fā)展。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）也成立了3D打印委員會(huì)TC216，聯(lián)合ASTM共同開(kāi)展3D打印標(biāo)準(zhǔn)的制定工作[14]。目前，兩大機(jī)構(gòu)在術(shù)語(yǔ)、工藝、材料、測(cè)試方法、設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)格式等六個(gè)方面達(dá)成了初步的標(biāo)準(zhǔn)工作框架。2012年8月，美國(guó)為改變制造業(yè)現(xiàn)狀，加大了對(duì)關(guān)鍵通用技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的支持，并建立全球首個(gè)“國(guó)家增材制造創(chuàng)新中心（National Additive Manufacturing Innovation Institute,NAMII）”[15]。美國(guó)率先在國(guó)家層面建立了3D打印的戰(zhàn)略規(guī)劃，成為全球3D打印技術(shù)的推動(dòng)者。NAMII自成立以來(lái)積極開(kāi)展資源整合工作，并于2013年10月更名為“美國(guó)制造（American Makes）”，到2015年3月已成為具有130多家成員單位的覆蓋美國(guó)主要地區(qū)的公-私合作聯(lián)盟。此后，3D打印技術(shù)在日本、英國(guó)、德國(guó)、瑞士、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家掀起研究、推廣的浪潮。

我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和政策規(guī)劃起步較晚，根據(jù)國(guó)內(nèi)的發(fā)展情況出臺(tái)了系列相關(guān)政策，支持3D打印技術(shù)的發(fā)展[2]。2013年4月，3D打印技術(shù)首次入選《國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）計(jì)劃》和《國(guó)家科技支撐計(jì)劃制造領(lǐng)域2014年度備選項(xiàng)目征集指南》，從此被提上了以科技推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型的日程。北京市科委于2014年3月發(fā)布了《促 進(jìn)北京市增材制造（3D打?。┛萍紕?chuàng)新與產(chǎn)業(yè)培育的工作意見(jiàn)》，表明3D打印技術(shù)的發(fā)展正逐漸被提升到地方政府的戰(zhàn)略規(guī)劃中。2015年2月，我國(guó)出臺(tái)了《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015-2016）》，將3D打印技術(shù)進(jìn)一步提升到國(guó)家戰(zhàn)略層面，形成全方位的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃，推動(dòng)3D打印產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展[16-17]。2016年8月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部專(zhuān)門(mén)針對(duì)建筑業(yè)下發(fā)了《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，對(duì)3D打印技術(shù)提出了新的指示：積極開(kāi)展建筑業(yè)3D打印設(shè)備及材料的研究，結(jié)合BIM技術(shù)應(yīng)用，探索3D打印技術(shù)運(yùn)用于建筑部品構(gòu)件生產(chǎn)，開(kāi)展示范性應(yīng)用。

2 建筑3D打印技術(shù)的研究進(jìn)展

建筑3D打印技術(shù)起源于1997年美國(guó)學(xué)者Joseph Pegna提出的一種適用于水泥材料逐層累積并選擇性凝固的自由形態(tài)構(gòu)件的 建造方法[18]。建筑3D打印技術(shù)作為新型數(shù)字建造技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的建筑施工工藝，具有以下諸多優(yōu)點(diǎn)[19-20]：

1）通過(guò)恒定的施工速率來(lái)減少現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間，提高施工效率；2）無(wú)需模板，可減少模板的浪費(fèi)從而減少施工成本；3）不使用模板使得建筑的可定制性強(qiáng)，實(shí) 現(xiàn)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)和審美目的；4）創(chuàng)造基于高端技術(shù)的工作崗位；5）根據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)圖，全程由電腦程序操控，節(jié)省人力，也使傷亡事故風(fēng)險(xiǎn)大幅減少；6）可降低建筑粉塵及噪音污染，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保。

2001年，美國(guó)南加州大學(xué)（University of Southern California）的Behrokh Khoshnevis提出了一種稱(chēng)為“輪廓工藝”(Contour Crafting,CC)的建筑3D打印技術(shù)[21]，通過(guò)混合料分層堆積成型實(shí)現(xiàn)建造。目前，該團(tuán)隊(duì)在美國(guó)宇航局的支持下，研究利用月壤材料并 采用輪廓工藝在月球上建造太空基地的相關(guān)技術(shù)[22]。此后，美國(guó)俄亥俄大學(xué)（Ohio University）的Paul等[23]改進(jìn)了輪廓工藝，并提出了輪廓工藝-帶纜索系 統(tǒng)（CC-cable-suspended）。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（Federal Institute of Technology,Switzerland）的Fabio和Matthias等從2006年開(kāi)始進(jìn)行了由大型機(jī)械臂主導(dǎo)的數(shù)字建造研究，其中較為獨(dú)特和典型的建筑3D打印技術(shù)即為磚塊堆疊技術(shù)，以磚塊作為材料單元，環(huán)氧樹(shù)脂作為粘結(jié)劑粘結(jié)補(bǔ)強(qiáng)[24]。

英國(guó)Monolite公司的意大利工程師Enrico Dini在2007年提出了一種通過(guò)噴擠粘結(jié)劑來(lái)選擇性膠凝硬化砂礫粉末實(shí)現(xiàn)逐層堆積成型的方法，即D-Shape工藝（如圖4所示）[21]，圖5為其機(jī)械裝置。該團(tuán)隊(duì)已于2009年成功打印了高1.6m的雕塑，并針對(duì)D-Shape技術(shù)采用月壤建造月球基地進(jìn)行了研究[25]。

圖4 D型工藝流程Fig.4 D-shape process

圖5 D型機(jī)械裝置Fig.5 D-Shape mechanical device

2008年，英國(guó)拉夫堡大學(xué)（Loughborough University）創(chuàng)新和建筑研究中心Lim等[21]提出來(lái)了被稱(chēng)為“混凝土打印”的建筑3D打印技術(shù)，該技術(shù)也是基于混凝土噴擠堆積成型的工藝[26]。該團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了適合3D打印的聚丙烯纖維混凝土，并于2009年成功打印出尺寸2m×0.9m×0.8m混凝土靠背椅，并對(duì)其原位剝離進(jìn)行了立方體抗壓等性能測(cè)試[13,27]。

3 建筑3D打印材料的研究進(jìn)展

3.1 國(guó)外研究進(jìn)展

國(guó)外建筑3D打印材料的研發(fā)早于國(guó)內(nèi)。從2012年開(kāi)始，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Michael等[28]采用砂石粉末為原材料，經(jīng)過(guò)數(shù)字算法建模、分塊三維打印、堆砌組裝等過(guò)程完成了一個(gè)3.2m高的Grotesque構(gòu)筑物的3D打印建筑，被稱(chēng)作數(shù)字異形體，如圖6所示。

圖6 數(shù)字異形體Fig.6 Digital alien

此后，Le等[13]研究了一種用于建筑3D打印的高性能纖維增強(qiáng)混凝土，該混凝土設(shè)計(jì)成通過(guò)噴嘴擠出以構(gòu)建逐層結(jié)構(gòu)部件，并研究了該新拌漿體的可擠出性和可建造性，發(fā)現(xiàn)其與工作性和凝結(jié)時(shí)間相互關(guān)聯(lián)，這些性能受配合比和超塑化劑、緩凝劑、促凝劑和聚丙烯纖維的顯著影響。Perrot等[29]針對(duì)水泥基建筑3D打印材料提出了一個(gè)理論框架用于水泥基材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)建和3D打印引起的載荷，之后在硬化漿體上進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在3D打印擠出過(guò)程中必須考慮結(jié)構(gòu)累積，以便找到最快的可接受的建造速率。Ming Xia等[30]為了滿(mǎn)足建筑3D打印機(jī)的要求，提出了一種創(chuàng)新方法來(lái)配制基于地質(zhì)聚合物的建筑3D打印材料，使用不同的關(guān)鍵參數(shù)，例如粒度分布、粉末床表面質(zhì)量、粉末真/堆積密度、粉末床孔隙率和粘合劑液滴滲透行為來(lái)定量評(píng)價(jià)制備的地質(zhì)聚合物的可打印性。

在建筑3D打印材料中，打印建筑構(gòu)件需要使用合適凝結(jié)時(shí)間的砂漿。Noura Khalil等[31]采用兩種水泥，普通硅酸鹽水泥（OPC）和硫鋁酸鹽水泥（SAC）制成的混合物來(lái)控制和調(diào)節(jié)砂漿的凝結(jié)時(shí)間和可打印性，開(kāi)發(fā)出由7% SAC和93% OPC制成的可打印材料。Manuel Hambach等[32]介紹了波特蘭水泥和增強(qiáng)短纖維（碳纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維，3～6mm）的建筑3D打印復(fù)合材料，制備出具有高抗彎性（最高為30MPa）和抗壓強(qiáng)度（最高為80MPa）的新型打印材料。Mechtcherine等[33]研究了一種基于建筑3D打印技術(shù)制作鋼筋混凝土（RC）的新方法，該方法將RC構(gòu)件分成單獨(dú)打印的不同混凝土段，然后與鋼筋系統(tǒng)一起組成獨(dú)特的構(gòu)件。

3.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

2014年，清華大學(xué)土木工程學(xué)院安全與耐久實(shí)驗(yàn)室的馮鵬等[34]采購(gòu)美國(guó)Z Corporation公司生產(chǎn)的3D打印機(jī)（型號(hào)為Spectrum Z510），以石膏硬化體為例，研究工程結(jié)構(gòu)中可能采用的粉末和液體混合膠凝體系的3D打印結(jié)構(gòu)的細(xì)觀特征和力學(xué)性能，通過(guò)打印的立方體抗壓、棱柱體抗折等試驗(yàn)獲得了力學(xué)性能參數(shù)，并提出相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型。

同年，上海交通大學(xué)土木工程系的范詩(shī)建等[35]對(duì)建筑3D打印材料進(jìn)行了相關(guān)研究，根據(jù)磷酸鹽水泥具有快硬、早強(qiáng)、粘結(jié)強(qiáng)度高和良好生物相容性等特點(diǎn)，將堿性氧化物和磷酸鹽以及添加劑等按比例配合后研磨成一定細(xì)度的固體粉末，配成磷酸鹽水泥，通過(guò)外加劑調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間在1～15min，1h抗壓強(qiáng)度達(dá)到45～65MPa，抗折強(qiáng)度達(dá)5.5～10.5MPa，并將其用于建筑3D打印。

藺喜強(qiáng)等[36]以快硬硫鋁酸鹽水泥和礦物摻合料組成復(fù)合膠凝材料，通過(guò)添加復(fù)合調(diào)凝劑和復(fù)合體積穩(wěn)定劑制備了可用于建筑3D打印的混凝土材料，其初凝時(shí)間為20～50min，終凝時(shí)間為30～60min，可靈活控制，2h抗壓強(qiáng)度10～20MPa，28d抗壓強(qiáng)度50～60MPa，滿(mǎn)足建筑3D打印的連續(xù)性和強(qiáng)度要求。任常在等[37]為了解決建筑3D打印材料的性能、成本及技術(shù)應(yīng)用等問(wèn)題，通過(guò)工業(yè)固體廢棄物為原料制備了硫鋁酸鹽膠凝基質(zhì)材料，配以促凝劑、緩凝劑等形成建筑3D打印粉體，其凝結(jié)時(shí)間可控制在10～30min，2h抗壓強(qiáng)度達(dá)到15～20MPa。

張大旺等[38-39]研究了堿金屬激發(fā)劑的Si/Na比對(duì)3D打印地質(zhì)聚合物漿體的粘度、屈服應(yīng)力和發(fā)展速率及結(jié)構(gòu)重建速率的影響，同時(shí)也研究了鋼渣摻量對(duì)3D打印地質(zhì)聚合物材料新拌漿體流變性的影響[40]。

張宇等[41]設(shè)計(jì)了一種新型的建筑3D打印混凝土，通過(guò)納米粘土（NC）和硅灰（SF）對(duì)水泥漿體進(jìn)行改性，使水泥漿體在輸送過(guò)程中具有良好的流動(dòng)性，在靜置狀態(tài)下具有滿(mǎn)意的形狀保持性，并系統(tǒng)研究了該新拌3D打印混凝土的可建造性、流變性（粘度、屈服應(yīng)力和觸變性）、和易性、初始強(qiáng)度、開(kāi)放時(shí)間和水化熱，結(jié)果表明，少量NC和SF使混凝土的可建造性分別提高150%和117%，顯著提升了混凝土的觸變性和初始強(qiáng)度。

4 國(guó)內(nèi)外建筑3D打印的應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)外的3D打印構(gòu)件及建筑大多基于“輪廓工藝”技術(shù)，以下是世界各國(guó)比較典型的建筑3D打印的應(yīng)用案例。

4.1 國(guó)外應(yīng)用案例

美國(guó)明尼蘇達(dá)州的工程師Andrey Rudenko團(tuán)隊(duì)采用單頭打印機(jī)器，利用輪廓工藝打印完成了占地約3m×5m的中世紀(jì)城堡（圖7），該城堡采用非 整體現(xiàn)場(chǎng)打印工藝，部分構(gòu)件打印完成后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝[42]。

圖7 建筑3D打印的中世紀(jì)城堡Fig.7 3D printed medieval castle

菲律賓的Lewis Yakichl借助3D打印機(jī)利用輪廓工藝用時(shí)100 小時(shí)打印出了占地面積10.5m×12.5m×3m的別墅式酒店，該別墅式酒店有兩間臥室、一間客廳及一間帶按摩浴缸的房間，如圖8所示[43]。

圖8 3D打印酒店Fig.8 3D printed hotels

2018年3月，美國(guó)德克薩斯州一家創(chuàng)業(yè)公司ICON在西南偏南大會(huì)（SXSW）上公布，其利用3D打印技術(shù)，以水泥砂漿為材料，打印了一棟6 0.4m2的房屋（圖9），且造價(jià)僅為1萬(wàn)美元，約合6.3萬(wàn)人民幣。

圖9 ICON公司打印的房屋Fig.9 Printed house of ICON

同年3月，歐盟的兩家公司Arup和CLS Architetti合作建造了一座命名為“3D Housing 05”的3D打印房屋，在米蘭的中央廣場(chǎng)Piazza Cesare Beccaria打印了原型房屋，并亮相于Salone del Mobile設(shè)計(jì)展，如圖10所示[42]。

圖10 3D Housing 05Fig.10 3D Housing 05

4.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用案例

盈創(chuàng)建筑科技（上海）有限公司采用3D打印技術(shù)，以砂漿為打印材料，率先于2014年4月在上海張江高新青浦園區(qū)內(nèi)打印了10幢建筑。2015年5月打印了一棟5層樓的樓房和一套1100m2的精致別墅。2016年7月在迪拜用時(shí)19天打印出全球首個(gè)3D打印辦公室，占地面積約為250m2[44]。

2016年6月，北京華商騰達(dá)工貿(mào)有限公司使用強(qiáng)度等級(jí)30MPa低坍落度混凝土，采用類(lèi)似滑模工藝加逐層堆積的3D打印方法，耗時(shí)45天建造了一棟高6m、占地400m2的別墅[45]。該公司使用兩個(gè)打印頭騎跨的形式，不僅解決了打印過(guò)程中縱向鋼筋的布置問(wèn)題，還提高了建筑的抗震性，為建筑3D打印工藝中的布筋提供了思路，如圖11所示。

圖11 北京華商騰達(dá)打印的別墅Fig.11 Printed villa of Beijing Huashang Tenda

2019年10月，由河北工業(yè)大學(xué)馬國(guó)偉團(tuán)隊(duì)采用裝配式混凝土3D打印技術(shù)，按照1:2縮尺寸建造的跨度18.04m、總長(zhǎng)28.1m的趙州橋落成于河北工業(yè)大學(xué)北辰校區(qū)，如圖12所示[46]。該團(tuán)隊(duì)借鑒已建成3D打印建筑的建造經(jīng)驗(yàn)，采用模塊化打印技術(shù)，并對(duì)節(jié)點(diǎn)裝配形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行裝配式建造。

圖12 3D打印趙州橋Fig.12 3D pr inted Zhaozhou Bridge

2019年11月，清華大學(xué)建筑學(xué)院與上海智慧灣科創(chuàng)園合作采用3D打印技術(shù)完成了一條長(zhǎng)14.1m、寬4m的3D打印混凝土橋梁，如圖13所示。

圖13 3D打印混凝土橋Fig.13 3D printed concrete bridge

同年11月，由中國(guó)建筑技術(shù)中心和中建二局華南公司聯(lián)合打印的世界首例原位3D打印雙層示范建筑在龍川產(chǎn)業(yè)園完成主體打印，該建筑是高7.2米、面積230m2的雙層辦公室，打印完成凈用時(shí)不到60小時(shí)，如圖14所示[47]。

圖14 3D打印兩層辦公室Fig.14 3D printed two-story offi ce

5 存在的問(wèn)題及展望

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外大量科研院所和企業(yè)對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行了一系列研究，3D打印技術(shù)得到飛速發(fā)展。限制建筑3D打印技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要因素就是材料，建筑3D打印材料研究主要存在以下問(wèn)題：

1）現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)配制的水泥基建筑材料在工作性、粘結(jié)性等方面無(wú)法滿(mǎn)足建筑3D打印材料的要求；

2）建筑3D打印材料的配合比不同于普通建筑材料，材料的孔結(jié)構(gòu)及微觀形貌等都發(fā)生了變化，進(jìn)而影響材料的抗?jié)B性、抗凍性和抗侵蝕性，需要進(jìn)行系統(tǒng)的研究；

3）由于建筑3D打印是基于逐層打印的方式，因此材料既要滿(mǎn)足下層已打印材料的支撐強(qiáng)度，又要避免層間粘結(jié)力不足的問(wèn)題；

4）建筑3D打印材料既要保證能以流體形式順暢擠出，還要滿(mǎn)足打印過(guò)程中能快速凝結(jié)的性能要求；

5）需要建立建筑3D打印材料性能的完善評(píng)價(jià)體系，包括：材料配制的強(qiáng)度要求、輸送性能要求（泵送性和可擠出性）、端口成型性能要求、粘結(jié)性能要求、可建造性能要求以及耐久性能要求等。

從整體來(lái)看，3D打印建筑目前仍處于試驗(yàn)階段，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用還需要很長(zhǎng)時(shí)間。短期內(nèi)，建筑3D打印技術(shù)只適于一些低矮建筑以及對(duì)安全性要求不高的構(gòu)件的打印。長(zhǎng)期來(lái)看，隨著建筑3D打印技術(shù)的發(fā)展和推廣，打印材料和打印設(shè)備兩個(gè)領(lǐng)域會(huì)迎來(lái)空前的發(fā)展機(jī)遇。一旦建筑3D打印技術(shù)被市場(chǎng)廣泛接受，傳統(tǒng)的建造方式將被取代，建筑3D打印材料也將顛覆傳統(tǒng)的建材市場(chǎng)。