3D打印建筑技術(shù)與材料研究

苗 臻 李建軍 蓋 闊 方延春 許朝陽

沈陽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（110159）

3D打印技術(shù)在各種領(lǐng)域都具有普適性，在建筑領(lǐng)域的研究與探索也有了新的發(fā)展。文章將對3D打印建筑相關(guān)技術(shù)進(jìn)行全面地闡述。

1 3D打印技術(shù)概述

1.1 3D打印技術(shù)原理

與傳統(tǒng)3D打印技術(shù)相似，3D打印時需要提前設(shè)計出建筑物的三維立體模型，導(dǎo)入計算機(jī)中轉(zhuǎn)換成代碼，再由3D打印機(jī)執(zhí)行完成命令，最終打印出完整的建筑。由此可將施工方式分為三類[1-3]。

1.1.1 全尺寸打印

全尺寸打印即一次性打印出完整建筑，優(yōu)點是打印機(jī)使用數(shù)量少，成本低且效率高。缺點是所用打印機(jī)體形較大，打印速度和打印精度都有限，且會受到溫度濕度、風(fēng)向風(fēng)速等環(huán)境因素的影響。

1.1.2 分體打印再組裝

分體打印再組裝即按建筑物需求打印某一結(jié)構(gòu)，也可打印出全部建筑結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)人工組裝、增添而成型。優(yōu)點是不受建筑物尺寸限制，打印件便于批量生產(chǎn)，且對于單獨構(gòu)件來說精度和生產(chǎn)效率更大。缺點是運輸成本和人力成本需求也更大。

1.1.3 群組機(jī)器人集體打印

優(yōu)點是不受建筑物尺寸限制，多個類型不同的機(jī)器人協(xié)作打印可提高精度，降低打印機(jī)兼容性和智能性的要求。缺點是成本相對更高。

1.2 國內(nèi)外3D打印建筑發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域的研究進(jìn)度與應(yīng)用進(jìn)程發(fā)展相對緩慢。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，國外的3D打印技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域的研究占比低于1%，而國內(nèi)在此領(lǐng)域的研究占比約為3.2%[4-5]。

2 3D打印建筑材料研究

2.1 3D打印建筑材料

2.1.1 GRG材料（又稱玻璃纖維增高成型品）

GRG材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，具有無限可塑性，可以做成任意造型，因此常被用來制作異形產(chǎn)品。GRG材料內(nèi)部具有大量微孔結(jié)構(gòu)，可自然調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度。同時，GRG還具有良好的聲學(xué)效果。經(jīng)測驗，30 mm的GRG板聲學(xué)反射R≥0.97，符合專業(yè)聲學(xué)反射要求，適用于影劇院、音樂廳、會議室等工程項目。

2.1.2 混凝土類材料

建筑領(lǐng)域主要使用的材料，由膠結(jié)介質(zhì)、骨粒顆粒或碎片、少量輔料按比例配合而成，可由建筑3D打印機(jī)進(jìn)行打印。

2.2 3D打印材料的性能要求

2.2.1 流動性

打印過程中，物料的流動性決定著物料是否能通過噴口順利擠出，同時也決定著整個施工過程能否順利進(jìn)行。研究表明，適量添加減水劑可改善物料顆粒間的滑動能力，從而提高混凝土砂漿的流變性。緩凝劑可以產(chǎn)生提高黏度的效果，合適的摻量也可以提高砂漿的流變性[6]。

2.2.2 凝結(jié)性

由于打印工作是一層一層累積進(jìn)行的，前一層的物料在未完全凝固狀態(tài)下的黏結(jié)性較強(qiáng)，可能不足以承載上層涂層。且隨著時間推移，離開噴口的物料的黏結(jié)性能與力學(xué)性能還在不斷發(fā)生變化?？赏ㄟ^適量添加促凝劑與緩凝劑，配合噴口的流速來調(diào)配物料的凝結(jié)時間，以達(dá)到最好的可建造性。

2.2.3 強(qiáng)韌度

強(qiáng)韌度是建筑打印質(zhì)量是否合格的一個重要考量標(biāo)準(zhǔn)。3D打印的工藝特點是逐層累積，這也注定了3D打印建筑物的密實度與傳統(tǒng)建筑物存在差距，使得強(qiáng)度相對較差。導(dǎo)致混凝土品質(zhì)缺陷的一大因素就是凝固開裂。為保證建筑的穩(wěn)定性，采用化學(xué)外加劑、粒徑合適的骨料或者適量摻入纖維可以有效防止建筑材料凝固后的爆皮、開裂，提高抗拉壓、抗彎折能力，并且能增強(qiáng)打印層間的黏結(jié)強(qiáng)度，防止裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展[7]。

2.3 3D打印混凝土材料運用的技術(shù)

2.3.1 D型工藝

D型工藝（D-shape）是由意大利發(fā)明家Enrico Dini于2009年發(fā)明的，其打印原理是基于砂與鎂基膠結(jié)劑固化的三維成型技術(shù)(3DP)。D型工藝打印機(jī)的底部有上千個噴嘴，可噴射出鎂制黏合物，然后在黏合物上噴砂形成石質(zhì)固體，通過一層層黏合物和砂子的結(jié)合，最終形成石質(zhì)建筑物。

2.3.2 輪廓工藝

3D打印技術(shù)可以使用水泥混凝土材料，通過將事先設(shè)計好的立體模型載入3D打印系統(tǒng)，打印機(jī)即可按照模型在建筑場地上勾勒出一個整體輪廓。3D打印機(jī)噴嘴噴出高密度、高性能混凝土，打印機(jī)噴嘴附帶的泥刀會規(guī)整混凝土的形狀，然后逐層疊加建筑墻體，再由機(jī)械手臂完成整座房子的基本架構(gòu)[8]。

近年來，各國科學(xué)家都熱衷于開發(fā)月球，如果要在月球開發(fā)建造人類棲息地，可以取材于月球土壤，運用輪廓技術(shù)快速打印公路和建筑物。

2.3.3 混凝土打印工藝

混凝土打印（Concrete Printing）通過噴嘴擠壓出混凝土，逐層疊加建造構(gòu)件。打印混凝土主要由2 mm以下級配砂、水泥、硅粉、粉煤灰、聚丙纖維與水?dāng)嚢杈鶆蚨桑蛴r每層厚度為6～25 mm。

與輪廓工藝技術(shù)相比，混凝土打印技術(shù)采用一次性打印整體截面技術(shù)，而不是打印輪廓后內(nèi)部填充。打印出的構(gòu)件抗壓強(qiáng)度超過100 MPa，可通過穿豎向鋼筋并施加預(yù)應(yīng)力，形成無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，提高其受力性能。

應(yīng)用3D混凝土打印工藝，可打印各種建筑結(jié)構(gòu)與藝術(shù)設(shè)計，且能快速實現(xiàn)非線性復(fù)雜造型。

3 3D打印在建筑領(lǐng)域的典型應(yīng)用

3.1 3D打印步行橋

2019年10月，河北工業(yè)大學(xué)馬國偉教授建造團(tuán)隊成功使用3D打印技術(shù)，仿制我國趙州橋，呈單孔敞肩拱外形，同樣采用分段組裝打印技術(shù)。內(nèi)嵌智能傳感技術(shù)，配合健康監(jiān)測技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)云平臺集成系統(tǒng)，能夠與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實時監(jiān)測橋體健康狀態(tài)。

3.2 世界上最大3D打印建筑

2019年，3D打印專家ApisCor于迪拜完成了世界上最大的3D打印建筑作品。其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)全部僅由一臺3D打印機(jī)完成，而整體鋼筋加固、管道電信安裝、門窗地板鋪設(shè)仍然是由人工完成。這座占地面積640 m2的建筑，整個工程耗時三周。相比傳統(tǒng)建筑方式，人工量減少了50%，建筑廢料減少了60%，且造價更加低廉，真正做到了節(jié)能減排，方便快捷[9]。

4 針對3D打印建筑問題設(shè)想的解決策略

加大研發(fā)投入，建立相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)規(guī)范。

通過配合外加添加劑來調(diào)節(jié)成型速度，研發(fā)新型建筑用料。

增加試驗研究，積累工程實踐經(jīng)驗來優(yōu)化打印技術(shù)。

5 結(jié)語

3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用尚屬于初級階段，對于傳統(tǒng)建筑工藝無法解決的難題，通過3D打印的方式可以給出很好的解決思路。但距離大規(guī)模普及使用仍有許多問題亟待解決。相信在不久的將來，3D打印建筑技術(shù)會迎來井噴式的發(fā)展。