3D打印建筑的研究與設計

袁梓祥

浙江省天臺中學

3D打印建筑的研究與設計

袁梓祥

浙江省天臺中學

作為第三次工業革命重要標志之一的3D打印技術日益成熟，逐步應用在醫療、工業制造等各個領域。混凝土是當代建筑中使用量最大、范圍最廣、最經濟的建筑材料，其發展僅有不到200年的歷史，卻已成為當代社會使用量巨大的建筑工程材料，對建筑工程貢獻巨大。本文對3D打印混凝土技術的現狀和問題進行調研，總結3D打印混凝土技術的難點，并對其發展過程中碰到的問題提出解決辦法。

3D打印；打印混凝土；施工工藝

1 引言

混凝土是當代建筑中使用量最大、范圍最廣、最經濟的建筑材料，其發展僅有不到200年的歷史，卻已成為當代社會使用量巨大的建筑工程材料，對建筑工程貢獻巨大。然而，傳統建筑技術會產生很高比例的建筑垃圾，據預測，中國每年20億m3以上的工程建設將持續10～15年，同時每年會產生約6億噸的建筑垃圾[1]。加之人力成本的增加，作為勞動力密集的混凝土建筑行業將迎來一次巨大的挑戰。所以，需要一種新型的混凝土施工技術替代傳統的施工工藝。

目前，大量混凝土被廣泛運用于現代的建筑工藝現澆和預制拼裝建造上。但現澆工藝和預制存在明顯缺陷。現澆施工大致需支模、澆筑、養護等過程，該過程中明顯存在施工周期長、耗費人力資源以及建筑質量難以保證的缺點。工業機械預制拼裝的工業化施工是利用混凝土裝配式、螺栓連接，這種施工存在薄弱部位，防水不好，抗震性能不好，容易產生局部破壞的巨大安全隱患。加上施工現場事故率高，工作質量低，施工現場的控制不夠充分困難和熟練勞動力正在消失的現狀，需要一項新的技術來解決并完善現有的施工方式。

3D打印技術在一系列的工程中對這類問題有很大的改善[2]。它在打印時具有立即成型，機械化，造型多樣，快速，節省工期等優點，可以有效的利用起來解決這類問題。

2 3D打印技術的定義及發展

2.1 3D打印的定義

根據美國材料與試驗協會（ASTM）3D打印技術委員會（F42委員會）公布的定義，3D打印是一種與傳統的制造技術完全不同的，以模型的三維數據為基礎，通過打印機噴嘴擠出材料，逐層打印增加材料來生成3D實體的技術，因此又稱為添加制造（Additive Manufacturing）。

3D打印技術通過計算機建模軟件對要打印的模型進行建模，再將建成的三維模型分成逐層的截面，通過特定的打印機逐層打印。

2.2 3D打印的發展

3D打印技術已經應用于各個行業中。生物醫療領域已使用3D打印技術成功地研制出了人造骨骼等人體組織器官，對生物醫學技術的發展具有重大的作用；航天航空領域利用3D打印技術制造現狀復雜、尺寸微細、性能特殊的零部件、機構直接制造，實現精細制造；個性化領域中，3D打印技術可應用于珠寶、服飾、鞋類、玩具、創意DIY作品的設計和制造等；除此之外，3D打印技術還在模具制造、電子信息領域、汽車制造領域具有廣泛應。

3 3D打印建筑的優點

3D打印建筑擁有極其快速的打印速度，是對建筑建造的一次巨大跨越，極大限度的縮短了工期，而較短的工期與簡單的施工方式意味著不再需要傳統現澆施工的養護過程，一定的保障了建筑的質量[5]。同時根據預設圖紙的打印以及計算機控制精確調整，減少了技術人員，以及大量勞動力的必要需求。很好的應對了未來的勞動力成本上升與缺失的局面，讓建筑的施工過程更符合實際生活的期望。

3D打印建筑的整體性也在很大程度上使打印的建筑物更加抗震，在結構上不存在工業預制拼裝所存在的連接處已損壞的問題。機械化的施工也保證了施工的質量，減少傳統施工中技術人員和勞動人員操作的誤差，使建造的過程中實現自動化。

并且其多樣的造型更滿足于人們的心理需求和藝術素養，為建筑這一沉默的藝術實現更多元的發展。

4 3D打印建筑的發展現狀

4.1 國外發展現狀

意大利研究者Enrico Dini（D-Shape打印技術發明者）發明了世界首臺大型建筑3D打印機，這臺打印機的底部有數百個噴嘴，可噴射出鎂質黏合物，在黏合物上噴撒砂子可逐漸鑄成石質固體，通過逐層地黏合，最終形成石質建筑物，并成功使用建筑材料打印出高4米的建筑物。

在此基礎上，Enrico Din與荷蘭建筑師Janjaap Ruijssenaars一同合作，欲用此3D建筑打印機打印建設一座“莫比烏斯環”狀的建筑物，用以參加歐洲的3D打印比賽。

美國宇航局（NASA）與美國南加州大學的Behrokh Khoshnevis教授[6～8]合作研發出“輪廓工藝”3D打印技術，能夠在24小時內打印出約232 m2的兩層樓房。輪廓建筑工藝是使用3D打印技術進行建筑建造的一種工藝，包括輪廓打印系統（Extrusion system）和內部填充系統（Filling system）兩部分，其原理是先進行外部輪廓的打印，之后向內部填充材料，形成混凝土構件。同時，他們在探索將3D打印混凝土技術應用于太空基地的建設[3～5]。

英國拉夫堡大學的研究者們在首先進行了材料的配合比設計，然后使用其設計的3D混凝土打印機打印出構件，并對新拌混凝土和硬化混凝土的各項性能進行了測試。他們對打印混凝土結構的薄弱面的力學性能等均進行了測試，但是打印出來的混凝土結構表面非常粗糙，仍然需要在材料和施工工藝上進行改進[6]。

4.2 國內發展現狀

在中國上海青浦出現一批3D打印房屋。其研發者馬義和使用回收的建筑垃圾與玻璃纖維作為打印原料，此次工程并非傳統的3D打印，而是通過人工現場組裝3D打印機打印出的房屋結構部件而完成的。其在24小時內完成了10幢200平方米建筑“打印”[7]。

5 3D打印建筑的難點

5.1 材料

現有的3d打印建筑“油墨”是一種經過特殊玻璃纖維強化處理的混凝土材料，3d打印的新拌混凝土的需具備的性能包括可擠出性、工作性和可建造性。目前，大多數研究者采用在高標號混凝土中添加聚丙烯纖維的做法來提高結構的力學性能，沒有探究更廣泛的材料，設計更合理的配比，混凝土從噴嘴擠出后不能立即成型，結構表面仍存在明顯的層狀紋理，且相鄰打印層之間的接觸面薄弱[8]。

混凝土要具有較好的可擠出性。混凝土要滿足3D打印的可擠出的條件，噴嘴尺寸、混凝土配比和骨料最大粒徑的選擇影響混凝土的可擠出。

混凝土要具有可控的凝結時間。混凝土需要具有良好的可建造性和工作性，通過添加速凝劑可以使混凝土快速凝結，但同時要避免混凝土過早凝結堵塞噴嘴。

解決打印層接觸面薄弱的問題。混凝土的硬化性能要滿足實際工程的要求，要考慮抗壓強度、抗折強度和干縮系數等方面，以及打印層之間的接觸面粘結薄弱的問題[9]。

5.2 結構

現階段的3D打印混凝土技術只適用于低層結構，混凝土達到一定高度后會出現坍塌的現象。現階段用于打印的混凝土沒有采用粗骨料，打印出的結構沒有考慮配筋，且結構形式單一。

5.3 打印機械

3d打印機械包括設備的設計問題和打印精度的不高的問題等。現階段，3D打印技術在飛速發展，但是現存的3D打印設備不能移動，且僅適用于低層小面積結構，且都在打印設備內部進行打印。同時，現存的3D打印設備的精度還不足以滿足實際工程的應用。

6 3D打印混凝土的創新

6.1 打印材料的創新

在配合比設計方面，3D打混凝土技術需要有新的配合比理論來支持。3D打印所需要的混凝土已經不同于傳統的混凝土，混凝土各項性能發生了巨大變化，不是簡單的水灰比、砂率等所能決定，其硬化、收縮性能發生根本性改變，這就需要我們重新設計混凝土配合比。

針對于混凝土打印機噴嘴不宜設計過大的特點，混凝土中骨料的最大粒徑要小于噴嘴尺寸的1/3，才能保證混凝土通過噴嘴時不發生堵塞。

外加劑可以顯著提高混凝土的性能，實現混凝土在泵送中良好的流動性，通過噴嘴后立即成型，即初凝時間可控的問題，在對混凝土外加劑進行比選的過程中，得到滿足3D打印要求的外加劑。為了保證混凝土在管道中的流動性，需要添加一定量的減水劑，為了讓混凝土從噴嘴擠出后可以快速凝結，需要在擠出的同時添加一定量的速凝劑，縮短混凝土的初凝時間和終凝時間。

6.2 打印結構的創新

打印結構方面，我們可以在利用新型的輪廓工藝上把兩片批灰刀分置于噴嘴兩側即是在打印墻體內外部上。使內外側墻體的表面趨于平整，減少在內部表面進行填充縫隙再貼上瓷磚，木板之類的墻飾。故障避免二次打印出現的故障或問題。再在最后可調節的批灰刀進行精確的位移操作利用計算機控制再對上表面進行修葺。

并且對于上表面的處理上，從建筑的穹頂得到啟發在替代預制模板支模的施工過程中，利用這種古老的建造智慧，來實現無支模的屋頂3D打印建造。在依托于穹頂樣式的屋頂3D打印上，以此作為所知的“模”完成整個建筑的打印，由于房屋打造的完全是一個整體故可以很好的解決工業預制拼裝在接頭處穩定性、抗震性等各項安全性能上的問題。

6.3 打印機械的創新

美國南加州大學在3D打印建筑，打印過程中的輪廓不平整的問題上提出用輪廓工藝Contour Crafting（cc），這個工藝僅在打印混凝土外側設置批灰刀，通過改進其方法，在打印機的噴嘴上加固兩個類似于批灰刀的裝置，從而在混凝土噴出打印的過程中自動化有效且的簡便的抹平由于混凝土自生性質的而導致的表面不平整問題。

由于完成上述打印對于打印機有靈活性上有很高的要求，所以在打印機械上選擇六軸機械臂打印機。利用大型吊臂和多節的機械臂關節組織來完成這項靈活，精密度極高的施工操作活動。在定位系統上可以依照工業機械臂精確性的特點利用傳輸紅外線信號來進行精確定位以及利用計算機控制兩片批灰刀的轉動實現在表面處理上的完善，從而達到預期效果。實現3D打印建筑的要求。

但由于混凝土自身材料上的限制，混凝土抗壓不抗拉，是一種各向異性的材料。因此除了在材料上加入一些纖維外我們仍需要在施工過程中在其間利用鋼筋，即傳統的鋼筋混凝土材料來搭建房屋。可以考慮采用鋼筋接駁器進行自動化安裝，過程如圖1所示。

圖1 鋼筋接駁器

圖2 拼裝電線

6.4 內部構造

針對于內部的電線和水管，考慮采用拼裝的方式，如圖2所示。或者采用分構件的打印方法，在打印混凝土結構的同時打印電線（金屬）和水管（塑料）。

7 結論與展望

隨著3D打印技術的逐漸發展，建筑以后只需在材料模型完成的基礎上完成極短時間的打印。甚至將房屋內部排水、通氣、通電等基礎設施一并打印，在材料上也無需利用鋼筋混凝土而可以直接打印成型并具有有良好的整體性以及各項設施完善。打印機愈迷你小巧，減少其成本，并在實際生活的基礎民工建中逐漸趨于普及

利用建筑3D打印的快速建造優勢，可在地震、臺風、泥石流、海嘯等自然災害后快速進行災后安置工作，可在最短的時間內將受災群眾安置于簡單的災后避難所，大大降低了災后的損失。并且利用建筑3D打印技術，還可以利用災后的大量建筑垃圾，就地取材，做到在短時間內修建起大量的災后用房，提高災民的生活品質，快速進行災后重建工作。

3D打印技術在未來可以把此優勢推廣及高樓建筑之上，使建造高樓時對周邊的危險和影響大大降低。并且3D打印的快速成型和結構形式任意性的特點，可以把人類在任意地形下的建筑建造的實現提供了可能，房屋的建造不再受限制于下墊面因素亦或是地形地貌和地表植被，水下板塊面凹凸不平把建筑打印到各個地方。甚至讓古巴比倫的“空中閣樓”得以實現。

[1]周文娟,陳家瓏,路宏波.我國建筑垃圾資源化現狀及對策[J].建筑技術,2009,40(8):741～744

[2]王燦才.3D打印的發展現狀分析[J].絲網印刷,2012(9):39～43.

[3]Giovanni Cesaretti,Enrico Dini,Xavier De Kestelier.Building components for an outpost on the Lunar soil by means of a novel 3D printing technology[J].Acta Astronautica,2014(93):430～450.

[4]Behrokh K,Anders C,Neil Leach M T.Robotic construction on the moon:the potential of contour crafting[J].Urbanism and Architecture,2012(12):40～48.

[5]Khoshnevis B,Hwang D,Yao K.Mega-scale fabrication by contour crafting[J].International journal of Industrial and System Engineering,2006,1(3):301～320.

[6]Lim S,Le T,Webster J.Fabricating construction components using layer manufacturing technology[A].Global Innovation in Construction Conference[C].UK:2009 13～16.

[7]3D打印房亮相青浦24小時內興建10間房[J].中國建筑金屬結構,2014(5):108.

[8］T.T.Le,S.Lim.Mix design and fresh properties for highperformance printing concrete[J].Materials and Structures,2012(45):1221～1232.

[9]張云升,孫偉,沙建芳.粉煤灰地聚合物混凝土的制備、特性和機理.建筑材料學報[J],2003,6(3):237～242.