3D打印建筑材料相关概念辨析

□文/李志国 陈 颖 简凡捷

国内外迅速崛起3D打印建筑是基于计算机控制的3D打印设备，通过打印叠层材料技术建造起来的建筑物。

目前研究的3D打印建筑的设备主要是由一个龙门架完成X方向行走，悬挂于龙门架上的打印头在一定区域内完成X、Y、Z方向打印，打印头上方的悬挂杆完成大尺度Z方向运动的三维结构，来为房屋创建基础和墙壁，直接制造出建筑物。

美国宇航局和美国军方支持并资助了美国南加州大学工业与系统工程教授比洛克·霍什内维斯的项目。荷兰宇宙建筑公司的Janj aap Rui j ssenaars，2013年1月表示他们计划在2014年内用3D打印技术建造一栋名为“Landscape House”的建筑。2014年3月上海盈创新材料公司已经在中国上海张江高新青浦园区在24 h内完成了10栋3D打印建筑。

1 基本概念

1.1 3D打印

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等方式实现快速成型的技术[1]。它与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有粉末状树脂、金属或塑料类其他复合型的可粘合材料，与电脑连接后，通过一层又一层的多层打印方式，最终把计算机上的蓝图变成实物。

1.2 3D快速成型

日用产品如锅碗瓢勺的模具，工业产品如汽车发动机等复杂模型、大型发电机叶片或航空航天等零部件模具等，都可以采用计算机控制的3D打印技术来快速成型。这样3D打印就可在CAD设计基础上的直接打印产品，真实的创建从图纸电子文件到实物快速生成的连接平台，为产品设计与制造一体化，使得这一技术如今可在机械制造、模具成型、建筑模型及实体建筑制作、汽车等复杂零件加工等许多高科技领域得到广泛的应用。

1.3 3D打印建筑

3D打印建筑的机械原理是靠龙门架行走机构实现X轴方向的运动；靠横梁实现Y方向的运动；靠打印头上部的打印杆实现Z方向的运动。靠打印头自身的伸缩和转动，实现打印喷头的局部运动，从而通过打印出建筑物的“平面层”的不断堆积，生成不同的建筑结构，见图1。

图1 3D打印机构动作原理

美国南加州大学工业与系统工程教授比洛克·霍什内维斯一直在研究一种新工艺。这种新工艺使打印技术在不到20 h的时间内建造一幢面积232.3 m2的建筑。该项目获得美国宇航局和美国军方的支持和资助。霍什内维斯相信他的项目可以为全世界大约10亿急需改善住房条件的人提供足够住房。他把该工艺称为“轮廊工艺”并且很希望在将来某天看到成为现实。

1.4 3D打印材料

目前3D打印建筑所采用的材料还不成熟。我国上海采用的是建筑物废弃材料，将其粉碎磨细，加水泥、纤维、有机粘合剂等，制成牙膏状的“油墨”，进行打印。荷兰的专家采用了树脂及塑料类的材料；美国人采用了树脂砂浆类、粘土类、混凝土类材料进行3D打印建筑试验。

1.5 材料层叠粘和结构

目前的3D打印建筑的技术原理是通过打印“喷头”分层吐出膏体状的打印材料，打印材料按墙体尺寸形状被层叠而形成类似胶合木的从L1～L5的层叠粘和结构。这种层叠结构单层厚度约20～30mm，竖直墙面层与层间的凸凹约15～20mm。从墙面建筑装饰效果看类似毛坯房，见图2和图3。目前单层打印材料物理力学性能和粘接层对墙体整体性的影响，还待深入研究。

图2 3D打印的层叠结构

图3 3D打印建筑的单层厚度及墙面凸凹

2 相关问题

2.1 从创新概念到经济适用

目前3D打印建筑毫无疑义是一个创新概念。它集成了计算机、三维扫描、三维打印、快速成型等新技术新观念；它代表了快速、高效、自动化、机械化的新建筑模式；极大程度上实现了节约、绿色、低劳动强度、文明施工的现代生产方式，是传统建筑技术、传统建筑模式的机遇和挑战。

目前的3D打印建筑概念清楚，它可以从图纸，直接打印成建筑。简单的建筑目前就可以通过直接打印或水平打印-垂直安装得到完成。

可是目前的所有试验建筑，没有对材料的组成、结构、性能、造价，尤其是耐久性、抗震性能等进行细致的研究，故3D打印建筑从一个创新概念，到能大规模经济适用的推广，仍有漫长的路要走。

2.2 打印材料的性能

1）强度。打印材料的强度高低，决定了其可以在何种高度的建筑中使用。目前各国试验的3D打印建筑多为1～2层。这样建筑的材料抗压强度可在1.5～3.5 MPa就能使建筑物矗立，即可达到临时应用或展览的目的。

在日本、美国，1～2层建筑就能满足住宅建设需要，而在其他国家和地区，多层、小高层、高层以及超高层建筑量大面广，需求巨大。但要使打印材料能满足多层甚至小高层建筑在7度地震烈度地区的安全要求，则适于3D打印建筑的材料最低抗压强度要达到20.0 MPa，要满足高层、超高层建筑相同地震烈度地区的安全要求，抗压强度应达到35.0 MPa以上。

2）保温节能。我国推广实行建筑节能政策。采用加气混凝土、多层复合墙体能满足三步、四步节能的保温隔热要求。目前国内外的3D打印技术材料中，有保温节能型和非保温节能型打印材料，前者采用树脂型材料打印墙体蜂窝结构，达到保温隔热的节能目的；后者也有采用其他材料打印空腔墙体，再向空腔填加泡沫材料或再次浇筑发泡材料，达到保温隔热的节能目的。

从产业化的方向性看，一次打印成型的3D打印材料可能是多种材料与多种功能的复合。开发多种打印材料、多喷头同时打印、一喷头多种材料同时或交替打印，实现多喷头多材料打印技术，不仅可以满足保温复合墙体的节能构造要求，而且可以实现结构、保温、装饰等多功能打印。

由于建筑节能是我国的基本国策，故在3D打印建筑总体研究与开发过程中，应尝试不同的保温节能方案。

3）抗震。建筑结构抗震问题一直是众所瞩目的建筑科技难题。采用3D打印成型的建筑，其材料和结构的均匀性好，可以按仿生学原理优化建筑空间、优化结构节点，优化结构构件。

但如何使打印材料从均匀的油墨形态，提升为钢筋混凝土结构或玻璃钢结构，是3D打印建筑材料和打印技术的核心性研究课题。只有通过钢筋混凝土结构，才能较好地保证建筑物的抗震性能，所以，在打印时如何增加水平筋，增加钢筋混凝土梁以及如何布置竖向钢筋，最终打印成钢筋混凝土梁、柱、楼板、楼梯等，是3D打印建筑、材料、工艺、设备不可逾越的难题。

纤维增强混凝土的思路，钢筋混凝土的思路，预制钢筋混凝土构件、轻钢结构、木结构与3D打印复合的思路，均有深入研究的意义和价值。如何利用3D打印技术，形成框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、筒形结构、筒壳板壳结构、钢板剪力墙结构等，都是提高3D打印建筑抗震性能应该考虑的选项。

4）经济性。3D打印材料具有多样性。作为具有实用性的建筑，其打印材料要在满足技术性能的同时，还要满足经济性的要求。

从目前国内外钢筋混凝土造价的现状看，采用树脂的最佳经济模式是用其作为胶粘剂，起到调整打印材料粘聚性的目的或是使用其固化的功能，控制打印材料的固化速度。而打印的主要材料依然要以水泥、石灰、石膏、粘土、砂子、碎石为主。同时，应该研究现浇钢筋混凝土结构、预制钢筋混凝土结构、轻钢结构等和3D打印材料和技术的结合，这样才能降低综合造价，达到工程可接受的经济性要求。各种材料价格见表1。

表1 打印材料的经济性

2.3 与钢筋混凝土的相容性

1）成型比较钢筋混凝土成型是基于属性混凝土的浇筑概念，为保证混凝土的密实成型常采用振捣液化的原理，“筑”成“体”型构件。而3D打印技术是基于油墨状材料的印刷，靠材料自身的黏性，“叠”成“层”状粘合构件。这样混凝土材料的成型一般需要模板，混凝土要在模板中进行浇筑、振捣和成型，代混凝土硬化后再拆除模板，完成施工。而3D打印技术，无须模板，直接打印成型。相比较混凝土容易与钢筋形成钢筋混凝土结构，而3D打印技术，如何与钢筋复合，值得认真探索。推荐的3D打印技术参数和材料性能见表2。

表2 打印材料技术参数及性能 mm

2）力学性能比较。混凝土与钢筋形成钢筋混凝土后，不仅能承受自重载荷和设计使用载荷，而且能承受地震载荷等突发性动载荷作用。无论钢筋混凝土梁、板、柱等构件，都能承受很高的外力作用，具有很高的抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。

3）保温结构构造的实现。目前的3D打印能很容易地形成空腔墙体结构，这样就使得其打印的墙体自身就有一定的保温节能优势。若目前马上推进3D打印建筑工程，则完全可以在其空腔墙体的基础上，采用常规的外墙薄抹灰保温技术，在打印墙体时，就把泡沫保温层分层加入，和打印喷头喷出的膏状材料一起胶结成保温层+空腔墙体，这样有可能在减少保温泡沫层厚度的前提下，达到三步节能的要求。此外，这种墙体还会有良好的隔声效果，见图4-图7。

图4 3D打印的打印构造

图5 推荐的3D打印空腔+保温层墙体构造

图6 3D打印墙体的安装

图7 3D打印墙体细部

4）多层及高层打印。目前的3D打印技术，只完成了一、二层低层建筑的施工应用试验。而将来要让3D打印进入真正的施工领域，完成多层、高层乃至超高层建筑的施工，才能更广泛的推广这种现代技术。

实现多层、高层乃至超高层建筑的3D打印，最应解决的2个基本问题就是打印机的爬升和混凝土的提升。相应设备的设计和混凝土材料性能的多功能性，是实现多层、高层及超高层打印的技术基础。

5）独立打印+人工辅助施工。研究3D打印建筑的出发点，就是最大程度实现依靠3D打印机的独立性施工模式。但作为一项实用技术，根本上不应完全排除人工辅助的合作施工模式，尤其在复杂的土木施工环境条件下，在3D打印施工技术开发之初期，不应完全拒绝人机共做模式。比如预制构件节点处的连接；局部加强部位钢筋的摆放、固定和调整；轻钢结构的构架、拴接等。采用必要的人机工作模式，可能会在3D打印初步，有效地解决打印机尚不能很好解决的建筑工地遇见的一些意想不到的问题。这样，也有利于让承包商快速接受3D打印建筑施工技术。

3 尚需进行研究的几个问题

3.1 打印材料的固化

打印材料的固化速度是打印建筑不可避免的一个问题。

打印材料的固化速度受温度的影响。在春夏秋季，应该能在14～28℃范围内，不进行较大的配比调整就能正常固化。在5～14℃采用加速固化配比保证固化；在28～38℃采取延缓固化技术达到正常打印的工艺要求；而在负温条件下，需要在保温养护的条件下谨慎调整固化方案，满足冬期施工的质量要求。

固化时间根据打印速度和环境温度确定，见表3。

表3 3D打印控制参数

打印速度和打印材料固化速度，决定打印建筑施工速度，也决定了打印的结构形式、生产模式等。喷射混凝土由于掺入了速凝剂，使混凝土从加水到初凝可调控在5 min之内，终凝可控制在15 min之内。3D打印若不采用其他辅助措施，打印拱形窗口门洞，打印材料固化宜在1 min之内；打印其他结构如墙面后门窗洞口的竖向结构部分，固化速度应≯5 min；打印其他水平构件固化时间不宜＞15 min。

3.2 打印材料的养护

养护要解决2个问题，其一保证强度增长，其二避免开裂破坏。

3D打印材料根据特性，可分为非养护型和养护型材料。如用树脂类材料通过光固化、化学反应固化等，无须提供特殊的养护。而通过水泥类无机胶凝材料拌和的打印材料，应该保证其环境的温度和湿度，保证水泥类材料的正常水化、凝结和硬化。

3.3 打印材料的提升及泵送

3D打印材料要实现多层及高层建筑的建设需要还要解决打印设备的爬升、提升问题。同时亦要解决打印材料的提升问题。

单层或二层建筑的打印，仅通过龙门架的高度就可实现。要完成6～7层多层建筑，可考虑龙门架的爬升、脚手架悬挂、塔带机式的送料与骑墙式行走等打印的模式。

可选择干料提升、拌和料提升、塔带机输送、拌和物泵送等工艺。

这样就要求混凝土的流动性(坍落度)不能低于100mm，混凝土的凝结时间也应达到30 min，甚至120 min。

3.4 打印与预制的组合

尽管本文在讨论3D打印建筑，但为实现其产业化，也有必要探讨其与预制混凝土的结合，与常规的现浇混凝土的结合，甚至与电气设备安装的有机结合。

实际上现浇钢筋混凝土结构与预制钢筋混凝土结构材料可以与3D打印材料与技术在组合和构造上达到互补，在施工和性能上相互协调。现浇或预制钢筋混凝土构件可以形成框架结构，3D打印可以形成填充墙体、剪力墙墙体、保温节能墙体，甚至是装修的地面、墙面、棚面；可以完成预制构件节点的打印“焊接”施工等。现浇或预制构件中的钢筋混凝土结构可以补偿打印过程中配筋烦琐，节点构造复杂，钢筋混凝柱竖向钢筋框架阻碍打印，混凝土梁钢筋框架打印不密实而导致抗震能力不足等缺陷；3D打印可以解决预制框架结构的冷桥，改善剪力墙结构的外保温隔热性能，实现建筑物的抗震及三步、四步节能，亦可以通过3D打印技术，协同留置并安装各种水电气管线，实现电气安装、建筑装修的一体化过程，见图8。

图8 3D打印与现浇及预制相结合

4 结语

4.1 创新的3D打印建筑概念

目前的3D打印建筑，虽然已经打印出建筑模型或简单的建筑，但其材料和结构强度、抗震安全性、材料耐久性都有待于试验和验证。尤其当考虑建筑物的使用寿命时，其打印材料和传统的钢筋混凝土在结合的基础上创新，应该是一个值得探讨的方向。

4.2 新型3D打印混凝土

研究认为，目前的打印建筑单层叠合打印厚度为20～30mm。若产业化及经济性角度看，产业化应用应该注意研究单层叠合打印厚度为80～150mm的材料。建筑结构的安全性、经济性和耐久性，适于3D打印的混凝土材料的组成、配比、拌和技术以及与此相关的拌和设备、打印设备的开发研究，应是未来3D打印建筑研发重点。

4.3 钢筋混凝土的3D节点

目前我国各类规范规定，重要建筑的使用寿命要达到100 a，住宅应具有50 a乃至70 a以上建筑使用寿命。按目前的建筑结构的理论、材料及结构性能和未来发展的需要，在相当长的时期内，使用寿命达70 a乃至100 a仍为未来建筑结构的主流。因而3D打印建筑结构的方向之一，还是要发展钢筋混凝土打印结构来满足其使用寿命的要求。这就要求目前的3D打印要加强“柱间打印”技术研究，以期实现框架柱预制或轻钢结构构建后，再经3D打印形成建筑。同时也应注意解决打印建筑的钢筋混凝土“梁柱节点构造”原理，剪力墙钢筋铺设与打印协调技术，以实现最终3D打印的钢筋混凝土结构。

[1]李福平，邓春林，万 晶.3D打印建筑技术与商品混凝土行业展望[J].混凝土世界，2013，（3）：28-29.