3D打印技術(shù)在可持續(xù)建筑中的應(yīng)用研究

摘要：目的：3D打印能夠創(chuàng)建復(fù)雜的設(shè)計(jì)，而這些設(shè)計(jì)在以前是難以實(shí)現(xiàn)的。文章探討混凝土三維打印的發(fā)展和進(jìn)步，以及這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于可持續(xù)建筑中面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)潛力。同時(shí)，強(qiáng)調(diào)了3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，如降低成本、減少材料和時(shí)間、提高安全性以及最大限度地減少環(huán)境污染等。方法：通過(guò)調(diào)研3D打印技術(shù)和可持續(xù)建筑的發(fā)展現(xiàn)狀，獲得一手資料。利用關(guān)鍵詞搜索，在中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)、維普資訊、愛(ài)思唯爾等中外數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行文獻(xiàn)檢索。結(jié)果：為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，文章主要研究生態(tài)友好型替代品，如可用于3D打印的大量粉煤灰、地質(zhì)聚合物、回收玻璃骨料等。這些材料不僅能夠降低對(duì)環(huán)境的影響，還能增強(qiáng)建筑構(gòu)件的長(zhǎng)期性能。在討論不同的3D打印方法（包括擠壓法和粉末打?。r(shí)，強(qiáng)調(diào)了每種方法在可持續(xù)建筑中的應(yīng)用潛力。結(jié)論：3D混凝土打?。?DCP）為更快、更精確和可持續(xù)的施工實(shí)踐提供了有效的解決方案。隨著3D打印技術(shù)的日益完善，其不僅可以打印小件物品，甚至可以顛覆傳統(tǒng)的建筑行業(yè)。3D打印技術(shù)有潛力通過(guò)提供低成本、高效和環(huán)保的解決方案來(lái)改變建筑業(yè)。然而，其面對(duì)的就業(yè)影響和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等挑戰(zhàn)必須通過(guò)進(jìn)一步研究來(lái)解決。

關(guān)鍵詞：3D打??；環(huán)保；節(jié)能；可持續(xù)建筑

中圖分類號(hào)：TU17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2023）23-0-04

0 前言

建筑業(yè)的特點(diǎn)是過(guò)程緩慢、勞動(dòng)密集和耗時(shí)，在技術(shù)上不夠先進(jìn)。然而，3D混凝土打?。?DCP）為更快、更精確和可持續(xù)的施工實(shí)踐提供了新的可能性。傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)涉及多個(gè)階段，包括設(shè)計(jì)、采購(gòu)材料、組裝等，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，建筑行業(yè)一直受到延誤、成本超支和安全問(wèn)題的困擾［1-4］。3D打印技術(shù)可以通過(guò)顯著減少建造所需的時(shí)間和勞動(dòng)力來(lái)革新建筑業(yè)，主要優(yōu)勢(shì)是加快施工速度和提高精度。與需要手工勞動(dòng)的傳統(tǒng)建筑方法不同，3D打印技術(shù)能夠以令人難以置信的速度和精度創(chuàng)建復(fù)雜的形狀，可以加快施工速度，降低勞動(dòng)力成本，更有效地利用資源［5-8］。同時(shí)，3D打印技術(shù)可以減少打印過(guò)程中產(chǎn)生的浪費(fèi)，使這個(gè)過(guò)程更具可持續(xù)性。傳統(tǒng)的施工方法往往會(huì)導(dǎo)致大量的浪費(fèi)，因?yàn)椴牧鲜乾F(xiàn)場(chǎng)切割和組裝的［9-11］。相比之下，3D打印技術(shù)只需使用必要的材料，就能以更高的精度生產(chǎn)建筑部件，從而減少浪費(fèi)。3D打印技術(shù)可以使用可持續(xù)的材料，如回收塑料或可生物降解的材料，以此減少建筑行業(yè)的碳足跡［12-14］。此外，3D打印技術(shù)有可能改變結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和功能。有了3D打印，就能夠創(chuàng)建復(fù)雜的設(shè)計(jì)，而這是傳統(tǒng)的構(gòu)建方法很難實(shí)現(xiàn)的［15-18］。3D打印技術(shù)使建筑師和工程師能夠開(kāi)發(fā)出融合曲線、角度和復(fù)雜細(xì)節(jié)的策略，形成視覺(jué)上令人驚嘆的功能性結(jié)構(gòu)。圖1代表了垂直3D打印的四種應(yīng)用，包括（a）帶殼和填料的現(xiàn)澆墻應(yīng)用、（b）實(shí)體幾何構(gòu)件、（c）面板構(gòu)件、（d）現(xiàn)澆墻和柱，這些圖像突出了垂直3D打印在創(chuàng)建高精度和高效率的復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面的潛力。

Mehar等人強(qiáng)調(diào)，3D打印技術(shù)的快速發(fā)展徹底改變了混凝土作為3D可打印材料的使用。Kothman和Faber指出了3D打印混凝土的顯著制造優(yōu)勢(shì)，包括縮短交付周期、集成功能和減少材料使用，這能夠簡(jiǎn)化建筑供應(yīng)鏈，并最大限度地減少物流工作。不過(guò)，吳等人指出，盡管3D打印有其優(yōu)勢(shì)，但與其他行業(yè)相比，3D打印在建筑行業(yè)的應(yīng)用速度較慢。Teizer等人強(qiáng)調(diào)了公眾意識(shí)在推動(dòng)建筑公司探索利用3D打印的替代建筑工藝方面的重要性。然而，Jakus認(rèn)為3D打印的快速發(fā)展更多的是受到重要的法律、社會(huì)事件和團(tuán)體的影響，而不是重大的技術(shù)突破［19］。

根據(jù)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，約翰斯頓強(qiáng)調(diào)，到2030年需要關(guān)于可持續(xù)做法和生活方式的相關(guān)信息。Oke等人強(qiáng)調(diào)了政府支持、負(fù)擔(dān)得起的數(shù)字工具、強(qiáng)大的信息系統(tǒng)、技術(shù)意識(shí)以及地方研發(fā)對(duì)加強(qiáng)數(shù)字技術(shù)和促進(jìn)合作的重要性。全球?qū)?D打印技術(shù)能力的認(rèn)識(shí)得到了提升，3D打印技術(shù)在學(xué)術(shù)和臨床研究機(jī)構(gòu)中被迅速采用。由此，3D打印技術(shù)不僅成為現(xiàn)有研究的重要工具，也成為研究的主題。

3D打印技術(shù)源于基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）圖紙的3D結(jié)構(gòu)的逐層制造，目前已經(jīng)成為一種創(chuàng)新和通用的技術(shù)。它為尋求提高制造效率的公司提供了機(jī)會(huì)，可以打印各種材料，包括熱塑性塑料、陶瓷、石墨烯基材料、金屬等。此外，它給消費(fèi)者在最終產(chǎn)品中更多的投入，形成了定制的規(guī)格。隨著生產(chǎn)設(shè)施越來(lái)越貼近消費(fèi)者的生活場(chǎng)景，生產(chǎn)過(guò)程變得更加靈活、快速和受質(zhì)量控制，同時(shí)通過(guò)車隊(duì)跟蹤技術(shù)減少了運(yùn)輸需求，從而節(jié)約了能源和時(shí)間。這項(xiàng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療保健、汽車、航天工業(yè)等行業(yè)應(yīng)用廣泛，促進(jìn)了大規(guī)模定制和開(kāi)源設(shè)計(jì)。

然而，在制造業(yè)中采用3D打印技術(shù)也面臨一定的挑戰(zhàn)。值得注意的是，這可能減少對(duì)勞動(dòng)力的需求，影響依賴低技能工作的經(jīng)濟(jì)體。此外，3D打印對(duì)各種物體（包括槍支等危險(xiǎn)物品）的可訪問(wèn)性也引發(fā)了一系列安全問(wèn)題，限制其使用權(quán)限是必要的，以防恐怖分子和罪犯濫用。同時(shí)，從藍(lán)圖生成三維物體的容易性增加了偽造的風(fēng)險(xiǎn)，須采取措施解決知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題。

本文關(guān)注可持續(xù)發(fā)展能力方面，著力探索革新可持續(xù)建筑實(shí)踐的生態(tài)友好型材料，如大體積粉煤灰、地質(zhì)聚合物、再生玻璃骨料等。此外，還深入分析了不同的3D打印方法，包括擠壓法和粉末打印，重點(diǎn)介紹其優(yōu)勢(shì)、挑戰(zhàn)和潛在應(yīng)用。通過(guò)強(qiáng)調(diào)可持續(xù)性、深入分析3D打印方法、確定研究差距和實(shí)際建議，旨在為3D打印技術(shù)及其在可持續(xù)建設(shè)中的應(yīng)用潛力的研究作出貢獻(xiàn)，為建筑行業(yè)的研究人員、從業(yè)人員和決策者提供借鑒。

1 3D打印方法

1.1 擠壓法

擠出能力是混凝土從噴嘴中流出的能力，根據(jù)不堵塞噴嘴即可打印的混凝土膏來(lái)進(jìn)行評(píng)估，打印的混凝土漿料應(yīng)無(wú)裂縫和分離?？蓴D出性取決于明確的混合特性和噴嘴校準(zhǔn)，如果噴嘴標(biāo)定不正確，混凝土就會(huì)卡在泵管內(nèi)?；炷潦且蕾囉跁r(shí)間的，因此它會(huì)影響整個(gè)混合料。如果混凝土未被正確擠出，結(jié)構(gòu)就會(huì)失效，從而影響層間結(jié)合。在多數(shù)情況下，大型龍門機(jī)器會(huì)用于打印，但這需要很長(zhǎng)的制造時(shí)間，因此，為了避免大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)間的延遲，引入了機(jī)械臂。同時(shí)，為了滿足數(shù)字?jǐn)D出混凝土的超高需求，打印材料應(yīng)具有觸變性、快速水化、快速凝固、致密性，并且要控制好屈服強(qiáng)度和塑性黏度等性能。此外，規(guī)模、周圍環(huán)境、支撐和裝配策略等多種參數(shù)也可用于數(shù)字混凝土澆筑。擠壓法是數(shù)字混凝土中應(yīng)用最廣泛的方法，在許多建筑公司中越來(lái)越受歡迎。

1.2 粉末打印

粉末打印是一個(gè)附加的制造過(guò)程。在這一過(guò)程中，通過(guò)將液體黏合劑擠壓到粉末床中來(lái)制造理想的組分，這種液體黏合劑在粉末撞擊床的地方黏結(jié)粉末。下層為3 mm厚，涂上一層約0.1 mm厚的新粉末，滾筒使床面最光滑。當(dāng)特定層完成時(shí)，黏合劑進(jìn)料器將黏合劑溶液送入打印頭，并通過(guò)噴嘴將其推出。黏合劑溶液的工作流程是按需滴加（DOD）過(guò)程，隨后是去粉過(guò)程，清除多余的廢物，熱處理或浸滲工藝可提高強(qiáng)度和耐久性。非擠壓式3D打印技術(shù)是一種原位方法生產(chǎn)預(yù)制混凝土部件的技藝，適用于小型組件，如面板、永久性模板和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，可以在現(xiàn)場(chǎng)連接。為了制造模板，使用基于水泥或非水泥的材料，黏合劑通過(guò)噴嘴被擠壓成粉末，將粉末顆粒黏合在一起。在確定合適的工作步驟后，即可取出部件，并可在干燥一段時(shí)間后再次取出，可用鼓風(fēng)機(jī)清除未結(jié)合的塵埃。然后，將該功能交付至施工現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行組裝和安裝。

粉末打印的打印機(jī)和打印材料存在一些局限性。與擠壓法相比，打印機(jī)是小型或中型的，因此，對(duì)更重要成分的要求可能很復(fù)雜。具體而言，有幾個(gè)因素會(huì)影響打印速度，黏合劑噴墨速度和粉末鋪設(shè)速度是主要因素，所以它們必須平行，以提高打印速度。打印材料的可用性是另一個(gè)問(wèn)題觸變性，能夠快速干燥，快速凝固致密，需要良好的控制性能，如屈服強(qiáng)度和塑性黏度。

2 可持續(xù)建筑和可持續(xù)材料

可持續(xù)建筑要滿足當(dāng)今基礎(chǔ)設(shè)施、工作和生活環(huán)境的要求，同時(shí)不損害后代滿足需求的能力。基于擠壓的3D混凝土打印技術(shù)中使用的大多數(shù)可打印水泥材料都是基于波特蘭水泥的黏合劑（OPC）。在OPC生產(chǎn)過(guò)程中，大量的二氧化碳被釋放到大氣中，此外，OPC生產(chǎn)還會(huì)消耗大量能源。使用OPC基材料時(shí)，這兩個(gè)因素都會(huì)影響3D混凝土打印技術(shù)的魯棒性。因此，需要開(kāi)發(fā)適用于3D混凝土打印技術(shù)擠出工藝的非OPC材料。各種低二氧化碳排放的環(huán)保材料也可用于3D打印，如粉煤灰、地質(zhì)聚合物和回收玻璃均是工業(yè)中使用的環(huán)境友好型材料。

2.1 高摻量粉煤灰

基于粉煤灰材料的粉煤灰混凝土是可持續(xù)混凝土結(jié)構(gòu)打印的可能替代品。粉煤灰是煤炭工業(yè)的殘留物和衍生物，攜帶一些有害金屬，這些金屬會(huì)傷害土壤，并造成空氣污染。因此，SC3DP-NTU（新加坡3D打印中心）研究提出了一種適用于3D混凝土打印應(yīng)用的大體積粉煤灰配方，這種配方可以減少對(duì)環(huán)境的影響，改善建筑材料的長(zhǎng)期強(qiáng)度性能。

2.2 地質(zhì)聚合物

地質(zhì)聚合物是一種不含水泥的黏合劑，可以代替OPC，是聚合過(guò)程的結(jié)果。在聚合過(guò)程中，用堿性溶液激發(fā)硅酸鋁源（如高爐礦渣或粉煤灰）。例如，灰基地質(zhì)聚合物中二氧化碳的消耗和排放分別比OPC低60%和80%。地質(zhì)聚合物不僅是綠色的和可持續(xù)的，而且特別適合擠出3D打印。其具有可變的凝固特性，且比OPC更耐用。

2.3 再生骨料

要制造混凝土，需要混合水泥、水和幾種骨料，如沙子和礫石等。骨料是至關(guān)重要的，因?yàn)樗鼈兂洚?dāng)著混凝土混合物的黏合劑。盡管海底或沙漠的沙子供應(yīng)豐富，但世界范圍內(nèi)仍然面臨建筑用沙短缺的問(wèn)題。這主要是由于海砂和沙漠砂的性質(zhì)不適合用于建筑，只有河砂可以用于建筑。因此，在建筑資源有限的情況下，需要采用另一種解決方案來(lái)滿足不斷增長(zhǎng)的需求，即循環(huán)使用由適合的建筑垃圾制成的再生骨料。

2.4 3D打印技術(shù)在可持續(xù)建筑中的優(yōu)勢(shì)

首先，3D打印技術(shù)可以快速構(gòu)建可持續(xù)建筑物。這種快速構(gòu)建方式有助于大大縮短建筑周期，節(jié)省建設(shè)時(shí)間和成本。其次，相比于傳統(tǒng)的建筑方式，3D打印建筑的精確度更高，可以更好地保證可持續(xù)建筑物的質(zhì)量。最后，3D打印技術(shù)能將建筑物的設(shè)計(jì)圖紙直接轉(zhuǎn)化為實(shí)體，從而避免了傳統(tǒng)建筑方式中的浪費(fèi)情況，節(jié)約了材料和成本。

3 結(jié)語(yǔ)

3D打印混凝土技術(shù)在解決現(xiàn)代建筑行業(yè)面臨的可持續(xù)性挑戰(zhàn)方面具有巨大潛力，為創(chuàng)新設(shè)計(jì)的可能性提供了機(jī)遇。隨著施工的推進(jìn)，預(yù)計(jì)施工將包含一個(gè)結(jié)合傳統(tǒng)和附加制造方法的集成過(guò)程，這項(xiàng)變革性技術(shù)將促使建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。如果3D打印技術(shù)繼續(xù)以目前的速度發(fā)展，就可能徹底改變整個(gè)施工過(guò)程。建筑行業(yè)運(yùn)用3D打印技術(shù)有許多好處，包括降低成本、增強(qiáng)對(duì)惡劣天氣條件的適應(yīng)能力、減少材料浪費(fèi)、減少二氧化碳排放和能源消耗等。同時(shí)，3D打印技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是安全性，它可以減少現(xiàn)場(chǎng)傷亡，由打印機(jī)承擔(dān)危險(xiǎn)任務(wù)，并精準(zhǔn)地加快建筑施工。在受災(zāi)地區(qū)，數(shù)百萬(wàn)人無(wú)家可歸，3D打印有潛力快速建造永久性住房，提供必要的服務(wù)，為有需要的人帶來(lái)一線希望。

隨著研究的不斷深入，持續(xù)的理解、實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用將在建筑和施工領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，能夠最大限度地利用3D打印技術(shù)的真正力量。盡管會(huì)產(chǎn)生潛在工作崗位流失的影響，但這一技術(shù)在可持續(xù)性、效率和響應(yīng)性方面的優(yōu)勢(shì)不容忽視。3D打印技術(shù)將引領(lǐng)一個(gè)可持續(xù)和創(chuàng)新建筑實(shí)踐的新時(shí)代，重塑該行業(yè)未來(lái)的發(fā)展格局。

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作者簡(jiǎn)介：王毅飛（2002—），男，江蘇鹽城人，本科在讀，研究方向：智慧城市、建筑設(shè)計(jì)。