一、概述

3D 打印是一種以數字模型為基礎，運用粉末狀金屬或非金屬材料，通過逐層打印的方式來構造物體空間形態(tài)的快速成型技術。由于其在制造工藝方面的創(chuàng)新，被認為是“第三次工業(yè)革命的重要生產工具”。3D 打印的思想起源于19 世紀末的美國，并在20 世紀80 年代得以發(fā)展和推廣。3D 打印技術正在被應用于越來越多的領域，比如航空航天、工業(yè)設計、醫(yī)療、藝術設計、建筑模型和教育等領域，近幾年來3D打印技術在打印建筑的應用中也得到了突破，新型的、智能化的建筑3D打印技術在行業(yè)內的關注度也不斷提高，由于其在打印建筑在自由度、個性化創(chuàng)造、原材料利用率、省工等多個方面的優(yōu)勢，在未來具有很大的發(fā)展也應用前景。

雖然我國3D產業(yè)政策規(guī)劃起步較晚，但是后發(fā)優(yōu)勢較為明顯。在借鑒國外發(fā)展經驗的同時，我國政府加快了政策出臺頻率，并全面統(tǒng)籌規(guī)劃內容，支持力度更大。2013年4月，3D首次入選《國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)》和《國家科技支撐計劃制造領域2014年度備選項目征集指南》，將3D打印提上以科技推動制造業(yè)轉型的日程；2015年2月，我國出臺《國家增材制造產業(yè)發(fā)展推進計劃(2015-2016年)》則將3D打印正式升格為國家戰(zhàn)略，以全方位產業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃的形式推進3D產業(yè)良性發(fā)展。2016年8月，住房城鄉(xiāng)建設部下發(fā)了《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》 對3D打印技術有了新的指示：“積極開展建筑業(yè)3D打印設備及材料的研究。結合BIM技術應用，探索3D打印技術運用于建筑部品、構件生產，開展示范應用?！?/p>

二、建筑3D打印技術發(fā)展概況

建筑3D打印技術是將3D打印與建筑施工有機結合起來的一種新型建筑技術。建筑3D打印的原理是將需要打印的建筑構件利用計算機軟件進行模型分割，將三維的圖形信息轉化為打印路徑以及打印速度，將混凝土或砂漿拌合物通過輸送系統(tǒng)泵送至打印頭，通過建筑3D打印機依照軟件預先處理好的路徑在XYZ軸的走位，使打印材料逐層疊加，最終制備得到建筑構件。建筑3D打印技術中的打印混凝土、砂漿材料由于具有的可塑性、工作性、觸變性以及早期的力學性能有別于傳統(tǒng)材料的性能，是一種新型建筑材料。3D打印建筑技術與傳統(tǒng)建筑相比，其優(yōu)勢在于速度快，不需要使用模板，不需要數量龐大的建筑工人，可以節(jié)省人力成本、提高建造效率；可以非常容易地打印出其他方式很難建造的高成本曲線建筑。

1.建筑3D打印設備發(fā)展概況

建筑3D打印設備是實現高精度連續(xù)分層布料免模板建造的重要手段，也是實現建筑設計與建造一體化中的重要工具。建筑設計中呈現的空間復雜性以及表面外形漸變特征，對于傳統(tǒng)的以手工建造為主的建造技術來說是一個巨大的難題，而打印設備給了這個問題一個正面的解答：基于參數的操作模式，打印設備使這種高性能建筑的設計與建造真正成為一套連續(xù)完整的模式。

隨著3D打印技術的發(fā)展，混凝土3D打印設備已經開始應用于制作建筑大型構件，依托于不同成型原理的打印技術也得到不斷發(fā)展，其中以濕料擠出工藝為基礎的擠出成型類3D打印設備占據了主導地位。濕料擠出成型技術是以熔積成型技術-FDM為原型，由混凝土濕料替代FDM技術中的石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲等絲狀材料原料，通過擠出頭打印出各種形狀的結構。目前，基于濕料擠出成型技術為原理開發(fā)的混凝土3D打印系統(tǒng)類型繁多。根據打印系統(tǒng)的結構形式分類，可分為直角坐標結構、極坐標結構、球坐標結構、關節(jié)式結構以及復合式結構。

（一）直角坐標結構

Contour Crafting（簡稱CC）打印系統(tǒng)是最悠久且仍在流行的混凝土打印技術之一。這項技術由南加州大學Khoshnevis教授于1998年第一次公開提及。建筑3D打印機結構采用設備為龍門吊車形式，在導軌式移動。橫梁可以上下擺動前后移動，模塊化設計，打印頭在橫梁上左右移動，打印材料經過干混砂漿混漿泵或打印用混凝土泵車攪拌后，輸送到擠出打印頭，通過電腦控制實現材料打印。

Concrete Printing（簡稱CP）打印系統(tǒng)由Richard Buswell博士和Simon Austin教授率領的拉夫堡創(chuàng)新型制造和建造研究中心（IMCRC）團隊開發(fā)，打印系統(tǒng)5.0m×5.0m×6.0m，可實現2m×2.5m×5m的大型混凝土構件打印。

中國建筑技術中心于2014年開始致力于建筑3D打印技術的研究，開發(fā)出了一系列CSCECTC打印系統(tǒng)，通過智能化控制實現了輸料和布料系統(tǒng)之間的協同工作。2019年中建技術中心與中建機械合作設計開發(fā)大型混凝土3D打印系統(tǒng)，可原位打印尺寸為16m ×13m × 10m的建筑。此系統(tǒng)主要用于制作足尺寸建筑部品及景觀構件，同時具備了智能化的布料打印能力，可實現任意圖形的布料打印。

（二）極坐標結構

Apis Cor移動式3D打印機由俄羅斯設計師Nikita Chen-iun-tai于2016年設計，其結構不是傳統(tǒng)XYZ三軸設置，由一個360°可旋轉底座和可伸縮臂展8.5m的旋轉手臂構成，配有自動混料裝置、建造材料供應裝置和可運輸儲存干混料的儲料桶。打印速度為1~10m/min，X/Y軸的位移精度為0.5mm，往復位移精度為0.2mm，Z軸位移精度為0.1~0.2mm?；炷帘玫墓繛?0L/min，最大承受壓力為20Bar，最大供應高度30m，最大供應長度80m。

（三）球坐標結構

BigDeltaWASP打印系統(tǒng)是由WASP團隊于2015年在意大利設計，2016年開始進行打印可行性實驗。其設計初衷是通過模仿陶土蜂的動作，將泥土逐層堆積建造他們的家園。機器包括機械架體、控制系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)和水泥攪拌機，總高39英尺（約12米），整個打印區(qū)域位于格子框架下方。這臺打印機最初是作為一種使用當地材料建造廉價住宅的方法。

（四）關節(jié)式（機械手）結構

關節(jié)式結構以CyBe 3Dp打印系統(tǒng)為代表，由荷蘭公司CyBe Construction于2013年開始開發(fā)，通過將打印頭安裝在一個機械手臂上，實現砂漿3D打印。第一代打印系統(tǒng)名為CyBe R 3Dp，是一種模塊化3D混凝土打印系統(tǒng)。硬件方面，該系統(tǒng)包括機械手（臂展2.75米）、混合泵系統(tǒng)和帶接口的控制單元；軟件方面包括CyBe CHYSEL切片軟件、CyBe ARTISAN控制軟件。打印機通過CyBe ARTISAN控制，與切片軟件CyBe CHYSEL配合使用，將3D模型轉換成Gcode文件以便打印機讀取。隨后利用系統(tǒng)配套的CyBe MORTAR材料即可在相對較短的時間內進行3D模型打印。系統(tǒng)打印的平均速度為200mm/s。

2.建筑3D打印材料發(fā)展概況

建筑3D打印技術最重要的技術之一是材料技術。3D打印機是實現材料到產品的一個途徑，隨著工業(yè)精密機床技術和機器人技術不斷發(fā)展趨于成熟，使得制造一個符合技術要求的3D打印機成為可能。但是能夠滿足3D打印技術去制造產品的材料技術才是3D打印技術的根本。因此，建筑3D打印材料是實現建筑3D打印首要解決的技術問題之一。

建筑3D打印材料是在傳統(tǒng)建筑原材料基礎上對傳統(tǒng)混凝土材料的改進與升華，所以它的性能首先要滿足現有標準中建筑物對混凝土強度和耐久性能的要求。另外從經濟性和環(huán)保性能方面來說，它應該滿足原材料就地取材，材料成本低，綠色環(huán)保等要求。打印混凝土的性能還必須具備滿足建筑3D打印工藝要求的性能，建筑3D打印工藝由于是沒有模板的堆積成型技術，所以打印材料的可堆積性和在塑性階段下層材料對逐漸增加的上層材料的承載力是最重要的性能。建筑3D打印工藝對打印材料的性能要求主要有以下幾個方面： 

（1）凝結時間：3D打印材料應該具有初凝時間可調，初、終凝時間間隔小的特點；初凝時間可調是指可根據打印長度和高度大小以及打印速度的快慢調整材料達到初凝的時間；初、終凝時間間隔小，是為了保證打印材料有足夠的強度發(fā)展速率，保證材料具有在不同高度材料自重作用下不變形的承載力。

（2）強度：打印混凝土應該具有足夠的早期強度，特別是1-2小時內的早期強度應該發(fā)展較快，能夠保證在連續(xù)3D打印施工過程中對建筑結構整體荷載的具有足夠的承載力，保證打印結構的穩(wěn)固不變形。建筑3D打印材料的后期強度保持一定的增長，從而滿足建筑物本身對材料強度的要求。

（3）工作性：首先打印材料在被輸送系統(tǒng)輸送過程中應該具有一定的流動性，避免輸送管路的堵塞，其次打印材料從打印頭擠出后能夠具有承受荷載不變形的能力，能夠支撐自重以及打印過程中的動荷載的性能，這也就是要求建筑3D打印材料具有一定的觸變性。

（4）層間粘結性：應該具有良好的層間粘結力，保證成型墻體的各項差異性小，保證層間的連接致密不滲水、打印的建筑物致密、穩(wěn)固。

（5）工業(yè)化生產：建筑材料一般具有用量大，工業(yè)化集中生產的特點。所以3D打印混凝土的生產也應該考慮滿足工業(yè)產品化制備，保證混凝土的性能穩(wěn)定，同時也保證了在打印過程中材料的零損耗，易于使用的特點。

三、我國建筑3D打印技術應用新進展

近年來，3D打印技術在機械制造、航空、醫(yī)療等領域得到廣泛的應用，并且逐漸拓展至建筑領域。3D打印技術能夠有效解決建筑傳統(tǒng)施工中存在的手工作業(yè)多、模板用量大、復雜造型難以實現等問題，并且在建筑個性化設計、智能化建造等方面具有顯著優(yōu)勢。

1. 3D打印基礎設施的應用

2019年1月，由清華大學-中南置地數字建筑研究設計團隊設計研發(fā)，與上海智慧灣投資管理有限公司共同建造的3D打印混凝土步行橋在上海落成。這座橋長26.3米、寬度3.6米，采用單拱結構承受荷載，拱腳間距14.4米。整體橋梁工程采用兩臺機械臂3D打印系統(tǒng)，共用450小時打印完成全部混凝土構件。橋體由橋拱結構、橋欄板、橋面板三部分組成，橋體結構分為44塊，橋欄板分為68塊，橋面板共64塊，均通過打印制成。這些構件的打印材料均為聚乙烯纖維混凝土添加多種外加劑組成的復合材料，具有可控的流變性，可滿足打印需求。該步行橋運用了自主開發(fā)的混凝土3D打印系統(tǒng)技術，該系統(tǒng)由數字建筑設計、打印路徑生成、操作控制系統(tǒng)等創(chuàng)新技術集成，具有工作穩(wěn)定性好、打印效率高、成型精度高和可連續(xù)工作等特點。

圖1 3D打印混凝土步行橋

2019年10月，由3D打印分會理事長馬國偉教授智能建造團隊自主設計建造完成了“裝配式混凝土3D打印趙州橋”， 橋長28.10米，單拱跨度18.04米，橋寬4.20米。裝配式3D打印趙州橋為單跨雙腹拱結構，腹拱為三鉸拱，拱上建筑與主拱進行結構剛度分離。采用模塊式拼裝，主拱部分合計21塊。腹拱由24塊寬度為0.7米的腹拱圈拼裝而成。為了滿足主拱打印的尺寸需求，研發(fā)了大型滑軌式機械波3D打印機，機械臂臂展3.3米、滑軌長度6米，可一次性打印成型長度11米左右的結構構件。

圖2裝配式混凝土3D打印趙州橋

2. 3D打印辦公樓

由3D打印分會掛靠單位中建技術中心牽頭，中建機械、中建二局華南公司參與建造的“原位3D打印二層辦公樓”項目正在施工中，該辦公樓建筑面積230平方米，高7.2米，目前已完成一層墻體的打印施工，預計11月中旬打印完成。自主研發(fā)的原位3D打印設備采用模塊化、標準化生產和組裝，并可以根據建筑物的尺寸對架體進行擴展，設備包括主體框架和運動打印系統(tǒng)兩大部分，主體框架由導柱和頂部支撐組成，運動打印部分分為升降單元、水平移動單元、打印頭單元和運動控制系統(tǒng)組成。

圖3 原位3D打印辦公樓（施工中）

3. 3D打印景觀構件

與傳統(tǒng)采用模具制作混凝土景觀構件相比，采用3D打印工藝在小批量制作異形、復雜、個性化混凝土景觀構件具有很大的優(yōu)勢。近兩年來，隨著混凝土3D打印技術的發(fā)展，一大批具有創(chuàng)造性的混凝土3D打印景觀構件產品應運而生，包括3D打印景觀牌匾、3D打印市政景觀小品、3D打印公共設施等不同的類型。

圖4 3D打印景觀匾牌

圖5 3D打印花壇

圖6 3D打印公園桌椅

目前，在世界范圍內建筑3D打印行業(yè)還處于探索和培育階段，主要開展3D打印材料、設備等研發(fā)和小型構件的打印試驗，采用3D打印技術建造大型基礎設施和建筑的工程項目還很少，致力于建筑3D打印技術的企業(yè)數量和規(guī)模尚待增加。作為一個具有巨大發(fā)展前景的新興行業(yè)，建筑3D打印行業(yè)需要國家政策的大力支持、基礎研究的突破，也需要分會各成員單位的共同努力。 

四、國際建筑3D打印技術應用新進展

2014年-2017年之間，美國、歐洲率先開展了建筑3D打印技術應用探索，利用多種類型的3D打印設備，陸續(xù)打印出大量景觀構件、單層房屋等。近兩年來，建筑3D打印技術應用的發(fā)展逐漸由我國相關研究院所和企業(yè)引領，國際上大型3D打印建筑項目相關的報道較少。

據公開資料顯示，2019年10月，一座3D打印二層辦公樓在迪拜落成。這棟辦公樓高9.5米，總面積640平方米，混凝土墻體由一臺3D打印機打印預制而成。

丹麥Cobod International公司開發(fā)出了大型3D打印設備，可打印長度27米、寬度12米，高度9米的建筑物，希望利用該設備實現樓房的原位打印，目前該設備尚未實施打印實際建筑試驗。

雖然近兩年國際上建筑3D打印大型應用項目較少，但美國、歐洲在3D打印設備、材料等方面的基礎研究仍較我國有一定優(yōu)勢，3D打印分會將會利用協會平臺，組織會員單位通過參加國際學術會議和前往國際優(yōu)秀設備和應用企業(yè)調研交流，促進我國建筑3D打印行業(yè)的快速發(fā)展。

五、建筑3D打印技術存在的問題及對策

3D打印機技術雖然是一個新技術，但是它在繼承傳統(tǒng)的3D打印機技術以及工藝的基礎上也有相應新的要求。建筑3D打印雖然擁有廣闊的應用前景，但目前在打印材料、打印方式、打印設備、結構體系、設計方法、施工工藝和標準體系等方面存在著一系列問題，建筑3D打印目前發(fā)展的主要任務是解決上以下幾個方面的問題。

（1）建筑3D打印相關軟件的開發(fā)

目前市場上還沒有針對3D打印的一種設計軟件，我們用的更多的是平面設計圖做平面的結構設計，施工圖，但是在設計的時候根本沒有考慮到材料的問題、工藝的問題以及結構、應力分析方面的問題。在建筑打印的領域里，房子結構往往是比較復雜的，機械產品設計的或者做傳統(tǒng)的3D打印設備，當模型的結構程度非常復雜的時候，它的數據量非常龐大，大型建筑3D模型相比十幾公分、幾十公分3D模型的結構和數據量大得多，所以如何能夠有效地解決這種大數據量的模型的設計和工作量，這是一個非常大的挑戰(zhàn)。當一個3D模型的數據量是幾百兆、上G的數據，普通的計算機很難承受得了，而且在運算模擬的時候，在仿真的時候，在進行運力分析的時候往往會遇到很多的問題。

未來的3D打印混凝土可能是多種材料同時打印。它有鋼筋，有混凝土，還有管道、電路，這里面各種材質的分布跟建筑是有機的整體，建筑3D打印就是將這些材料有機的、完美的整合在一起打印出一座建筑。這個領域里面可以借鑒機械工程方面方面的建模。在3D打印建筑里面它是有機的整體，不像傳統(tǒng)的制造里面結構往往是分離的，而是有機的整體，所以如何能夠建立這種材料空間和結構空間有機的對應，我想這是在我們設計領域里面要克服的問題?；诂F在傳統(tǒng)的3D設計軟件支持現在建筑打印的模型，從單色到多色，從單材質到多材質的建模的過程，以及從這種最原始的平面的設計和工程的計算，到工程的自動化的這樣的結構分析。

（2）建筑3D打印技術的裝備的開發(fā)

現在3D打印的設備往往都是小設備，它不足以去實現大工程的建筑物的設計和生產，或者是相應工藝的處理，必須要開發(fā)出專用的工藝設備。3D打印機的輸出尺寸越大，打印機本身就越大，那么打印機的噴頭活動范圍要能夠覆蓋全幅的輸出尺寸，那么必然會大一圈。在三維打印領域，這意味著：如果打印住宅則打印機需要比你的住宅大一圈。機器越大越難制造，更重要的是機器越大，打印精度和打印速度就會越差。建筑3D打印機其實就是一種大型的數控機床，它的這種設計、制造及其工藝，對于機械的自動化控制是很大的挑戰(zhàn)。為了實現大體量建筑物的設計和生產，必須要開發(fā)出專用的打印設備。這種大型的數控機床，它的設計、制造及其工藝對于3D打印業(yè)界來說是很大的挑戰(zhàn)。

另外還涉及到打印混凝土的輸送和擠出工藝，目前大多數混凝土采用直接拌和好的單組分材料進行輸送和打印，材料的泵送相對簡單。但在以后采用多種材料打印或者雙組分方式進行打印的時候，所對應的材料輸送方式或者擠出成型方式就得需要更為復雜的解決方案。

在未來建筑3D打印設備將和現有的施工機器結合，包括機器手等， 設計的模塊化組合，更靈活建筑施工方式等等。3D打印建筑裝備開發(fā)要摒除閉門造車，而要整合資源，分工合作，才能綜合現有技術優(yōu)勢取得一定突破。

（3）3D打印混凝土關鍵技術研究

打印材料是建筑3D打印的核心技術，未來建筑3D打印的發(fā)展和突破是以打印材料的突破為基礎的。

目前采用的打印材料主要是以混凝土為基材，存在著抗拉強度低、抗裂性能差、韌性差、構件易脆性破壞等問題。因此，尋找具有良好性能的打印材料是建筑3D打印當前發(fā)展的關鍵。金屬粉末打印材料的主要問題是價格，目前市場上1kg的鈦合金打印材料價格在4000元以上，1kg的不銹鋼打印材料的價格在1000元左右。如果打印金屬節(jié)點和構件，其成本將非常巨大，價格因素是其推廣應用的主要制約條件。

對于新材料應用于3D打印適應性的評估。隨著新材料的不斷發(fā)明及被引用至3D打印行業(yè)。首先應對這些材料用于3D打印的適用性進行定量定性的研究和評估，即材料的特性、力學性能指標、物理性能指標、化學性能指標（耐腐性、耐久性、耐高溫、耐寒等）、顆粒大小、粉末顆?？煽扇苄?、熱學、光學等特征，這一系列材料的特性將成為達到3D打印產品所要求的機械性能，特征分辨率、加工精度和表面質量的瓶頸。

現有的3D打印材料雖然較多，但適合建筑工程行業(yè)的材料仍然受到限制，另外現實中可用于建筑工程的某些金屬、氯氧鎂水泥等已有材料，比較昂貴且稀少，這跟相關配套的材料產能有很大關系，如果這種材料未被市場全面認可和接受，則大范圍的市場化投產也是不可能的，所以材料的種類在未來很大一條路上仍然是3D打印應用的一大障礙。對3D打印構件的材料性質、力學性能的研究：3D打印生產出的構件是按層疊加的，其材料的組成和性能都不同于傳統(tǒng)加工成熟的構件，因此還需要大量相應的材性試驗來獲取3D打印構件的各項性能指標、力學性能，例如材料的抗剪、抗彎、抗拉、抗扭、拉壓等特性。

（4）打印建筑的結構體系及設計

3D打印材料與普通建筑材料的特性有所不同，傳統(tǒng)的結構體系不能直接套用在3D打印建筑上，應研發(fā)與其材料特性、打印方式相匹配的，既能發(fā)揮3D打印優(yōu)勢，又能滿足結構安全性要求的結構體系。目前建造3D打印在工程施工中的應用還屬于探索階段，沒有成熟的設計理論和方法可以借鑒。由于3D打印建筑與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構、砌體結構在材料性能和建造工藝上有較大區(qū)別，因此有必要在充分了解材料性能和構件性能的基礎上研究適于3D打印建筑的設計理論和設計方法。

對于3D打印的局部構件與主體結構的連接方式的研究：包括連接的方式、強度、延性，同時由構件拼裝起來的主體結構的整體抗震、抗風，是否滿足現行規(guī)范的要求，還有耐沖擊及撞擊性也是無相應試驗參數來檢驗。

（5）相關的技術標準、規(guī)范的建立

建筑3D打印技術作為一種全自動的施工方法，與傳統(tǒng)的以人力為主的施工方法相比有諸多不同點，其在施工工藝方面需解決支撐、找平、配筋結構裝飾一體化等問題。所以 3D打印建筑的打印材料標準、設計規(guī)范、施工規(guī)范、驗收標準等一系列的標準體系的制定是建筑3D打印技術在發(fā)展過程中逐步形成的，應在市場的主導作用下，以企業(yè)為主體逐步發(fā)展完善。技術標準應按照企業(yè)標準、行業(yè)標準、國家標準的順序來逐步建立，這也能更好的促進行業(yè)的研發(fā)加速。

目前，3D打印建造還處于起步階段，在實體建造的相關基礎性研究和工程應用中也略顯不足，但3D打印建造發(fā)展?jié)摿薮?，是目前建筑產業(yè)實現轉型升級的重要突破口。因此，我們亟需明確其發(fā)展方向，理清其發(fā)展思路，制定其發(fā)展戰(zhàn)略。我國的3D打印建造發(fā)展應體現國家意志，并與經濟和社會發(fā)展需求、可持續(xù)發(fā)展緊密結合，3D打印建造發(fā)展戰(zhàn)略應體現全局性、戰(zhàn)略性以及前瞻性。3D打印建造的發(fā)展應以促進建筑業(yè)轉型升級和確定我國在世界3D打印建造領域的優(yōu)勢地位作為戰(zhàn)略目標，通過建立3D打印建造材料體系、3D打印建造設備體系、3D打印建造標準體系以及3D打印建造示范工程建設等措施推動戰(zhàn)略目標的實現。