黎家昕 王金晶 吳連銘 羅川旭 姚昊翊

摘 要：3D打印是一種以三維計算機模型為模板，通過逐層疊加的方式來堆砌出三維型體的快速成型技術(shù)，目前在建筑行業(yè)中已有很多地區(qū)嘗試。本文重點從以下三方面介紹了擠壓式3D打印在建筑行業(yè)中的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀：（1）建筑設(shè)計與施工，包含裝配式打印、整體式打印和群組機器人集合打印裝配;（2）建筑材料，包含水泥基材料在增加強度、硬度、耐久度、可打印性等方面的研究;（3）建筑裝飾與裝修，包含現(xiàn)代建筑裝飾裝修和古建筑修復與數(shù)字化信息庫的建設(shè)。通過分析3D打印技術(shù)在工程建造領(lǐng)域中的技術(shù)欠缺、管理不到位等問題，總結(jié)了3D打印建筑在工業(yè)化發(fā)展過程中需要應(yīng)對的技術(shù)、管理層面的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);3D打印建筑;建筑設(shè)計與施工;3D打印建筑材料;3D打印建筑裝飾與裝修;古建筑修復

3D打印是一種將材料逐層堆積并黏合成實體的快速成型技術(shù)[1]，由于其層層疊加的加工特點又被稱為增材制造[2]。該技術(shù)誕生于1984年，經(jīng)歷了幾十年的迅速發(fā)展，3D打印漸漸進入了我們的日常生活，目前已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、建筑、生物、食品、服裝設(shè)計、文物保護等領(lǐng)域。3D打印建筑技術(shù)最早是美國學者Joseph Pegna[3]提出的，它是一種按照預先設(shè)計的建筑模型和程序，用特制的打印“油墨”—建筑材料—通過機器設(shè)備智能“打印”出來并逐層累加，從而達到建筑建設(shè)標準且具有實用功能的建筑的技術(shù)。與傳統(tǒng)建筑工藝相比，3D打印技術(shù)具有滿足復雜的多樣化建筑外形、施工周期短、施工安全、節(jié)約勞動力、降低成本、對環(huán)境友好等優(yōu)勢[4-5]。3D打印技術(shù)的引入，把建筑業(yè)帶入了數(shù)字領(lǐng)域，它將建筑設(shè)計、施工、項目管理、裝備、新型材料、應(yīng)用融合等綜合為一個新的體系，可快速建造出各種傳統(tǒng)建筑工藝不易建造甚至無法實現(xiàn)的新型建筑結(jié)構(gòu)。

本文結(jié)合3D打印建筑技術(shù)進展，介紹3D打印在建筑設(shè)計與施工、項目管理、建筑裝飾裝修和古建筑修復等領(lǐng)域的典型應(yīng)用，并指出3D打印今后在建筑行業(yè)需要面對的挑戰(zhàn)。

1 建筑設(shè)計與施工

對于建筑師來說，可以創(chuàng)建復雜外形的建筑是3D打印最大的優(yōu)勢[6]。例如逐步成熟的非線性建筑，依靠自由多變的外形特征煥發(fā)了城市新的活力[7]，但是它復雜的外形使得施工中定位、模板安裝、支模架搭設(shè)有很大困難。如今3D打印建筑的興起和云計算的到來，鼓舞著勇于創(chuàng)新的建筑師們繼續(xù)進行非線性建筑的深化應(yīng)用[8]，為自由建筑外形的進一步發(fā)展提供了便捷條件。

1.1 裝配式打印

預制裝配式的3D打印建筑是預先在電腦中將三維建筑模型按照不同的結(jié)構(gòu)或受力情況劃分成多個部分，在工廠分別打印完成后再運至現(xiàn)場組裝[9]。與傳統(tǒng)預制裝配式建筑不同的是，預制板可以直接打印出不同的肌理而不需要后期美化加工（如圖1盈創(chuàng)集團的不同肌理板），給建筑外觀帶來了新的可能。

2021年8月，位于荷蘭埃因霍溫（Eindhoven）的3D打印房屋將迎來第一批租戶。這是5棟獨立的單層出租房屋，外形看起來像一塊大石頭，使人眼前一亮。建筑面積94平方米，有寬敞的客廳，兩間臥室。房屋由24個逐層打印的混凝土部件組成（見圖2），這些工廠里打印好的部件通過卡車運到施工現(xiàn)場裝配，最后安裝屋頂和窗框并完成整棟房屋的建造（見圖3），所有的家具、裝飾依然為傳統(tǒng)施工技術(shù)（見圖4）。這些3D打印混凝土房屋有超厚的隔熱層，并且與城市供暖系統(tǒng)相連，非常舒適且節(jié)能。

除了國外的飛速發(fā)展，我國的北京華商陸海科技有限公司也已推出了適用于裝配式建筑的龍門式建筑3D打印機，既輕便又便宜，用來建造數(shù)字化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、裝配式組裝的3D裝配式建筑。施工過程中不受季節(jié)影響，需要的建筑工人數(shù)量很少，建筑質(zhì)量得到提升的同時還大大縮減了施工周期。與傳統(tǒng)“裝配式建筑”將事先做好的梁、板、柱、墻等建筑構(gòu)件在施工現(xiàn)場進行搭積木式拼合的產(chǎn)業(yè)模式不同，華商陸海3D裝配式建筑主要是基于3D打印建筑技術(shù)，以“單體建筑”為單位在工廠進行定制化打?。ㄒ妶D5），最終在現(xiàn)場裝配而成，解決了傳統(tǒng)“裝配式建筑”墻面開裂、板材拼接縫隙不均、隔音效果不佳、保溫隔熱效果差等難題。

1.2 整體式打印

不同于裝配式的3D打印建筑技術(shù)，整體式打印不需要在工廠里打印好獨立的構(gòu)件再運到建筑基地進行組裝，而是直接在現(xiàn)場建造，整個建筑用打印機在原點一次性打印建造完成。2017年，俄羅斯建造了一座占地37平方米的房子（見圖6），只花了不到一天就建造完成，成本7萬多元人民幣。它是由舊金山ApisCor公司生產(chǎn)的圓形3D打印機建造完成（見圖7）。這款緊湊型的3D打印機便于運輸，它有一個旋轉(zhuǎn)底座和起重機般的機械手臂，底座部分用于存儲、供應(yīng)原料，360°旋轉(zhuǎn)的活動手臂負責搭建，因此可以實現(xiàn)比自身更大的打印尺寸。

北京華商陸?？萍加邢薰緩?016年的以鋼筋混凝土為原材料的“現(xiàn)場整體打印”的示范建筑，到2018年打印的正式商用建筑“新溫莎城堡”（圖8），向我們展示了我國3D打印建筑技術(shù)的快速發(fā)展?！靶聹厣潜ぁ泵娣e超過600平方米，是由華商陸海自主研發(fā)的“建筑3D打印機”完成的，在不到2個月的打印工期內(nèi)，建筑3D打印機噴射出超過500噸的混凝土，實現(xiàn)了風格迥異的多層建筑的現(xiàn)場整體打印。

2019年11月，中建股份技術(shù)中心和中建二局華南公司聯(lián)合完成了一棟7.2米高，總面積230平方米的雙層辦公樓的打?。ㄒ妶D9），打印設(shè)備由中建機械公司設(shè)計制造，打印材料、設(shè)備、工藝及控制軟件均是自主開發(fā)，建筑3D打印技術(shù)利用電腦智能控制，全部使用機械自動化操作，可以做到24小時不間斷打印，主體打印只需3天，節(jié)約材料超過60%，建好的房屋壽命可達50年。打印出的中空墻壁還可以填充保溫材料達到節(jié)能降噪的目的（見圖10）。

2 建筑材料

3D打印建筑物使用的建筑材料是通過3D打印機的傳輸管和噴嘴擠出的“油墨”，這種特殊“油墨”主要由膠凝材料、各種粗細骨料、外加劑、特種纖維等[10]混合制成。3D打印機噴嘴結(jié)構(gòu)復雜，操作不當容易堵塞，因此，3D打印建筑材料的配制要求比傳統(tǒng)建筑材料要高。

水泥基材料作為主要的3D打印建筑材料[11]，是基于流變學原理及水泥水化原理實現(xiàn)水泥基材料的3D打印[12-14]。其研發(fā)[15-17]包括：通過添加不同配比的外加劑，控制水泥基材料的流變性和收縮率，增加水泥基材料的強度、韌性和耐久性，提高打印材料的層間黏結(jié)性能;通過選用不同的骨料，減輕結(jié)構(gòu)自重[18];在管理上制定打印材料的性能評價方法等。

2.1 增加強度、硬度和耐久性

3D打印建筑所用的水泥基材料要確保硬化后具備一定的強度、硬度和耐久性，相鄰兩層材料之間要能緊密黏結(jié)成一個整體[19]。一般認為，適合3D打印建筑材料添加的骨料應(yīng)為粒徑10毫米以下的近似球型，具有高強度低密度的特性[20]。

Weger D等[21]通過測試發(fā)現(xiàn)采用粉末黏結(jié)工藝成型的3D打印水泥基材料抗凍融性能滿足標準要求;劉致遠[22]針對寒冷條件下水泥基材料強度發(fā)展規(guī)律及抗凍耐久性進行了研究，總結(jié)了添加不同外加劑后材料抗壓、抗折性能的變化;曹香鵬等[23]通過在添加了礦物摻合料的復合膠凝材料中摻入中空玻璃微珠，制備出了抗壓、抗折強度適宜的建筑材料;王里等[24]制備了環(huán)氧樹脂改性砂漿和氯丁橡膠改性砂漿來增強相鄰材料層的界面黏結(jié)性能，增強打印建筑的整體穩(wěn)定性;Zhang等[25]研究發(fā)現(xiàn)，3D打印水泥基材料具有較高的抗壓強度和抗彎強度，較低的干燥收縮率，較好的抗硫酸鹽侵蝕和碳化能力，但抗凍害和氯離子滲透能力較低。

2.2 優(yōu)化可打印性能

相對于傳統(tǒng)建筑用混凝土，3D打印用混凝土需要有適宜的流動性，不堵塞管道和噴嘴，并能短時間內(nèi)凝結(jié)。若流動性過大，凝結(jié)速度慢，會導致在3D打印過程中材料無法堆疊;而流動性過小，則會導致3D打印機噴頭的堵塞。因此，研發(fā)新型復合外加劑來控制水泥基材料的硬化時間是3D打印建筑材料研究的重要方向[26]。

學者們[27-29]的研究表明，摻入減水劑使混凝土具有較好的流動性已經(jīng)成為混凝土獲得較快初凝能力的一種重要方法;LE T T等[30-31]研究發(fā)現(xiàn)，降低水膠比、增加粉煤灰摻量有助于降低打印過程中混凝土漿料的收縮率;范詩建等[32]則提出添加改性劑的磷酸鹽水泥具有快凝、早強、黏結(jié)強度高和生物相容性好的優(yōu)點;薛龍[33]研究發(fā)現(xiàn)，添加促強減縮劑、無堿液體速凝劑以及硫酸鋁溶液能夠明顯縮短水泥的凝結(jié)時間;使用硫鋁酸鹽水泥和鋁酸鹽改性硅酸鹽水泥能獲得早強快凝的3D打印混凝土[34-35];Zhang Y等人[36]設(shè)計了一種在輸送過程和擠出時具有良好流動性的水泥漿體;李艷玲[37]研究了添加不同化學外加劑的水泥基建筑砂漿性能后發(fā)現(xiàn)，3D打印建筑砂漿降低了不能振搗夯實材料所造成的收縮變形，且凝結(jié)時間可控，可擠出性能與力學性能較好;高效減水劑和緩凝劑的最佳摻量可改善材料流變性能。

據(jù)統(tǒng)計，我國由于城市建設(shè)的需求，傳統(tǒng)的建造方式每年產(chǎn)生的建筑廢料高達20億噸。隨著3D打印建筑技術(shù)的推廣和打印“油墨”的研發(fā)，使用建筑廢料進行打印得到了研究者的關(guān)注。通過這種技術(shù)，可以回收大量的建筑廢料有效利用后，變成建設(shè)科技智能城市的重要物資，不但節(jié)省城市建設(shè)的費用，也極大地降低了建筑垃圾對城市的環(huán)境污染。另外，研究人員也在積極地研制開發(fā)其他新型材料，如：砂材料、生物纖維材料和智能材料等。

3 建筑裝修與裝飾

3D打印技術(shù)可以建造一些形態(tài)復雜的產(chǎn)品，使造型藝術(shù)不再受限于制造技術(shù)，促使設(shè)計師將設(shè)計重點更多地放在產(chǎn)品的外觀創(chuàng)新上，表達自己天馬行空的思路[38]。目前，一些3D打印產(chǎn)品設(shè)計網(wǎng)站的出現(xiàn)，客戶可以很方便地與設(shè)計師溝通后購買個性化設(shè)計，使客戶自由定制建筑內(nèi)裝飾裝修產(chǎn)品[39]。由于打印室內(nèi)裝飾使用的材料性能要求（如強度等）比建筑主體低，能更好地展現(xiàn)出3D打印技術(shù)在復雜曲面造型中精細、高效、低成本的特點。

法國設(shè)計師Franois Brument和 Sonia Laugier的作品“Habitat imprimé”以一種全新的思維突破了傳統(tǒng)的室內(nèi)設(shè)計（圖11），依據(jù)不同家具和設(shè)備衍生出變化的墻壁厚度，通過不同材料（塑料、混凝土、砂石）的疊加，打造出一個與眾不同的個性化空間，或許將成為未來小戶型裝飾裝修的另一種發(fā)展趨向;上海東海廣場SOHO售樓處室內(nèi)裝飾和一體化完整家居打印的自由曲面則處處散發(fā)著科幻的氣息（圖12）。

除了現(xiàn)代化的裝飾與裝修，3D打印技術(shù)對于傳統(tǒng)建筑裝飾技能的保留與傳承也起著積極的推動作用。我國江西樂平素有“中國古戲臺博物館”之美譽，古戲臺建筑營造技藝入選為國家級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，其精美的木雕讓人嘆為觀止?，F(xiàn)今傳統(tǒng)工藝技術(shù)的學習傳承者愈來愈少，以致木雕、石雕等很多傳統(tǒng)技藝在流失，據(jù)許飛進團隊[40]考察，現(xiàn)存的樂平雕刻工匠正趨于老齡化，年輕的傳承人嚴重缺乏;另外，大部分工匠技藝不傳外姓徒弟的傳統(tǒng)方式增加了技藝傳承斷層的危機。于是，研究者借助紅外線掃描并建模的技術(shù)儲存下數(shù)字化的雕刻數(shù)據(jù)，最終建立數(shù)據(jù)庫加以整理和保存，從而將高超的傳統(tǒng)技藝留存下來，需要時再通過3D打印的實體模型來學習制造。此外，劉新業(yè)等人[41]依照影像數(shù)據(jù)采集、數(shù)字建模、修復模型細節(jié)、場景渲染的步驟對沈陽北塔建筑紋飾進行修復，最終通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)了紋飾的復原，為展現(xiàn)地域文化帶來了可行的新模式。值得關(guān)注的是，在古建筑建造和保護的研究中通過紅外線掃描技術(shù)進行古建筑數(shù)字化建模[42-43]、建立古建筑常用的3D構(gòu)件庫并進行3D打印的技術(shù)[44-45]已在古建筑裝飾構(gòu)件的替換中取得突破，但在受力復雜的梁柱構(gòu)件上進行替換還在試驗當中[46]。

結(jié)語

3D打印建筑具有節(jié)約資源、降低成本、工期較短、設(shè)計靈活等優(yōu)勢，目前十分適用于緊急安置等住房，在農(nóng)村和受災重建活動板房中具有其優(yōu)勢。同時，由于3D打印建筑在技術(shù)上仍然有欠缺，管理上也還不完善，在未來需要面對以下挑戰(zhàn)：

（1）技術(shù)發(fā)展。3D打印因其材料層層疊加、架空部位缺乏支撐和受建造環(huán)境的影響原因，以目前的技術(shù)在混凝土中配筋還有一些障礙[47];因此，要提高3D打印建筑的整體性和抗震性，還需要在創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計和新型材料的研發(fā)方向拓展。同時，有針對性地促進計算機輔助設(shè)計、激光技術(shù)、AI技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料工程等多項技術(shù)集成化發(fā)展才能加快3D打印建筑的推廣。此外，探索由若干小機器人（打印機）在三維模型中協(xié)調(diào)執(zhí)行復雜、龐大建筑的打印任務(wù)，是未來3D打印建筑的發(fā)展方向之一，機械和軟件集成開發(fā)對于小型群組機器人集合打印并提高打印精度的研發(fā)有著強力的推動作用。

（2）制定評價體系和建設(shè)規(guī)范標準。對于3D打印建筑的整體抗震性、防火性、使用年限的研究較少，與施工組織管理相關(guān)的規(guī)范較少，建筑各構(gòu)配件的剛度、強度的質(zhì)量標準缺乏[48]。目前，美國的材料與試驗協(xié)會（ASTM）已經(jīng)有了建筑3D打印的技術(shù)標準，我國關(guān)于擠出工藝的3D打印建筑技術(shù)及其水泥基材料也已經(jīng)發(fā)布了《混凝土3D打印技術(shù)規(guī)程》（T/CECS 786—2020），目前還有多部關(guān)于3D打印水泥基材料工作性能及力學性能的行業(yè)標準或協(xié)會標準正在編寫。可見3D打印建筑技術(shù)相關(guān)標準體系正在逐漸建立，隨著大量3D打印建筑的研究應(yīng)用結(jié)果不斷完善和相關(guān)標準的設(shè)立，3D打印技術(shù)將會走向市場化之路。

（3）建筑項目管理的變革。希望建筑設(shè)計師們能利用高度的設(shè)計自由重塑人們對建筑的思考方式[49]，也為項目經(jīng)理等管理層把權(quán)力下放，形成自我監(jiān)管的分散化管理方法指明了方向[50]。行業(yè)內(nèi)的利益相關(guān)者（建筑師、工程師、客戶、開發(fā)商、分包商、材料供應(yīng)商乃至政府主管部門等）需要分擔建造技術(shù)創(chuàng)新后的風險;除此以外，傳統(tǒng)的建筑項目工業(yè)化是利用較高程度的預制和場外生產(chǎn)的方法，將增值活動轉(zhuǎn)移到供應(yīng)鏈的上游[51-52]，而3D打印技術(shù)的使用扭轉(zhuǎn)了這一趨勢，將增值活動重新轉(zhuǎn)回建筑工地，只是將復雜部件的生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到場外，這對于建筑工業(yè)化的發(fā)展方向?qū)袠O大的影響。

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基金項目：2021年云南省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目“智增3D 打印工作室”（項目號：DC202110681039X）;2021年云南師范大學“課程思政”建設(shè)項目《建筑制圖》（項目號：2021kcsz26））;2021年云南省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目“基于光伏熱解農(nóng)業(yè)廢棄物制備生物炭系統(tǒng)設(shè)計”（項目號：S202110681021S）

作者簡介：黎家昕（2001— ）， 男，漢族，廣東恩平人，本科，研究方向：文物保護與3D打印技術(shù)。

*通訊作者：姚昊翊（1989— ），女，漢族，云南玉溪人，碩士，講師，研究方向：建筑節(jié)能與太陽能光熱利用。