3D打印建筑的研究与设计

袁梓祥

浙江省天台中学

3D打印建筑的研究与设计

袁梓祥

浙江省天台中学

作为第三次工业革命重要标志之一的3D打印技术日益成熟，逐步应用在医疗、工业制造等各个领域。混凝土是当代建筑中使用量最大、范围最广、最经济的建筑材料，其发展仅有不到200年的历史，却已成为当代社会使用量巨大的建筑工程材料，对建筑工程贡献巨大。本文对3D打印混凝土技术的现状和问题进行调研，总结3D打印混凝土技术的难点，并对其发展过程中碰到的问题提出解决办法。

3D打印；打印混凝土；施工工艺

1 引言

混凝土是当代建筑中使用量最大、范围最广、最经济的建筑材料，其发展仅有不到200年的历史，却已成为当代社会使用量巨大的建筑工程材料，对建筑工程贡献巨大。然而，传统建筑技术会产生很高比例的建筑垃圾，据预测，中国每年20亿m3以上的工程建设将持续10～15年，同时每年会产生约6亿吨的建筑垃圾[1]。加之人力成本的增加，作为劳动力密集的混凝土建筑行业将迎来一次巨大的挑战。所以，需要一种新型的混凝土施工技术替代传统的施工工艺。

目前，大量混凝土被广泛运用于现代的建筑工艺现浇和预制拼装建造上。但现浇工艺和预制存在明显缺陷。现浇施工大致需支模、浇筑、养护等过程，该过程中明显存在施工周期长、耗费人力资源以及建筑质量难以保证的缺点。工业机械预制拼装的工业化施工是利用混凝土装配式、螺栓连接，这种施工存在薄弱部位，防水不好，抗震性能不好，容易产生局部破坏的巨大安全隐患。加上施工现场事故率高，工作质量低，施工现场的控制不够充分困难和熟练劳动力正在消失的现状，需要一项新的技术来解决并完善现有的施工方式。

3D打印技术在一系列的工程中对这类问题有很大的改善[2]。它在打印时具有立即成型，机械化，造型多样，快速，节省工期等优点，可以有效的利用起来解决这类问题。

2 3D打印技术的定义及发展

2.1 3D打印的定义

根据美国材料与试验协会（ASTM）3D打印技术委员会（F42委员会）公布的定义，3D打印是一种与传统的制造技术完全不同的，以模型的三维数据为基础，通过打印机喷嘴挤出材料，逐层打印增加材料来生成3D实体的技术，因此又称为添加制造（Additive Manufacturing）。

3D打印技术通过计算机建模软件对要打印的模型进行建模，再将建成的三维模型分成逐层的截面，通过特定的打印机逐层打印。

2.2 3D打印的发展

3D打印技术已经应用于各个行业中。生物医疗领域已使用3D打印技术成功地研制出了人造骨骼等人体组织器官，对生物医学技术的发展具有重大的作用；航天航空领域利用3D打印技术制造现状复杂、尺寸微细、性能特殊的零部件、机构直接制造，实现精细制造；个性化领域中，3D打印技术可应用于珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造等；除此之外，3D打印技术还在模具制造、电子信息领域、汽车制造领域具有广泛应。

3 3D打印建筑的优点

3D打印建筑拥有极其快速的打印速度，是对建筑建造的一次巨大跨越，极大限度的缩短了工期，而较短的工期与简单的施工方式意味着不再需要传统现浇施工的养护过程，一定的保障了建筑的质量[5]。同时根据预设图纸的打印以及计算机控制精确调整，减少了技术人员，以及大量劳动力的必要需求。很好的应对了未来的劳动力成本上升与缺失的局面，让建筑的施工过程更符合实际生活的期望。

3D打印建筑的整体性也在很大程度上使打印的建筑物更加抗震，在结构上不存在工业预制拼装所存在的连接处已损坏的问题。机械化的施工也保证了施工的质量，减少传统施工中技术人员和劳动人员操作的误差，使建造的过程中实现自动化。

并且其多样的造型更满足于人们的心理需求和艺术素养，为建筑这一沉默的艺术实现更多元的发展。

4 3D打印建筑的发展现状

4.1 国外发展现状

意大利研究者Enrico Dini（D-Shape打印技术发明者）发明了世界首台大型建筑3D打印机，这台打印机的底部有数百个喷嘴，可喷射出镁质黏合物，在黏合物上喷撒砂子可逐渐铸成石质固体，通过逐层地黏合，最终形成石质建筑物，并成功使用建筑材料打印出高4米的建筑物。

在此基础上，Enrico Din与荷兰建筑师Janjaap Ruijssenaars一同合作，欲用此3D建筑打印机打印建设一座“莫比乌斯环”状的建筑物，用以参加欧洲的3D打印比赛。

美国宇航局（NASA）与美国南加州大学的Behrokh Khoshnevis教授[6～8]合作研发出“轮廓工艺”3D打印技术，能够在24小时内打印出约232 m2的两层楼房。轮廓建筑工艺是使用3D打印技术进行建筑建造的一种工艺，包括轮廓打印系统（Extrusion system）和内部填充系统（Filling system）两部分，其原理是先进行外部轮廓的打印，之后向内部填充材料，形成混凝土构件。同时，他们在探索将3D打印混凝土技术应用于太空基地的建设[3～5]。

英国拉夫堡大学的研究者们在首先进行了材料的配合比设计，然后使用其设计的3D混凝土打印机打印出构件，并对新拌混凝土和硬化混凝土的各项性能进行了测试。他们对打印混凝土结构的薄弱面的力学性能等均进行了测试，但是打印出来的混凝土结构表面非常粗糙，仍然需要在材料和施工工艺上进行改进[6]。

4.2 国内发展现状

在中国上海青浦出现一批3D打印房屋。其研发者马义和使用回收的建筑垃圾与玻璃纤维作为打印原料，此次工程并非传统的3D打印，而是通过人工现场组装3D打印机打印出的房屋结构部件而完成的。其在24小时内完成了10幢200平方米建筑“打印”[7]。

5 3D打印建筑的难点

5.1 材料

现有的3d打印建筑“油墨”是一种经过特殊玻璃纤维强化处理的混凝土材料，3d打印的新拌混凝土的需具备的性能包括可挤出性、工作性和可建造性。目前，大多数研究者采用在高标号混凝土中添加聚丙烯纤维的做法来提高结构的力学性能，没有探究更广泛的材料，设计更合理的配比，混凝土从喷嘴挤出后不能立即成型，结构表面仍存在明显的层状纹理，且相邻打印层之间的接触面薄弱[8]。

混凝土要具有较好的可挤出性。混凝土要满足3D打印的可挤出的条件，喷嘴尺寸、混凝土配比和骨料最大粒径的选择影响混凝土的可挤出。

混凝土要具有可控的凝结时间。混凝土需要具有良好的可建造性和工作性，通过添加速凝剂可以使混凝土快速凝结，但同时要避免混凝土过早凝结堵塞喷嘴。

解决打印层接触面薄弱的问题。混凝土的硬化性能要满足实际工程的要求，要考虑抗压强度、抗折强度和干缩系数等方面，以及打印层之间的接触面粘结薄弱的问题[9]。

5.2 结构

现阶段的3D打印混凝土技术只适用于低层结构，混凝土达到一定高度后会出现坍塌的现象。现阶段用于打印的混凝土没有采用粗骨料，打印出的结构没有考虑配筋，且结构形式单一。

5.3 打印机械

3d打印机械包括设备的设计问题和打印精度的不高的问题等。现阶段，3D打印技术在飞速发展，但是现存的3D打印设备不能移动，且仅适用于低层小面积结构，且都在打印设备内部进行打印。同时，现存的3D打印设备的精度还不足以满足实际工程的应用。

6 3D打印混凝土的创新

6.1 打印材料的创新

在配合比设计方面，3D打混凝土技术需要有新的配合比理论来支持。3D打印所需要的混凝土已经不同于传统的混凝土，混凝土各项性能发生了巨大变化，不是简单的水灰比、砂率等所能决定，其硬化、收缩性能发生根本性改变，这就需要我们重新设计混凝土配合比。

针对于混凝土打印机喷嘴不宜设计过大的特点，混凝土中骨料的最大粒径要小于喷嘴尺寸的1/3，才能保证混凝土通过喷嘴时不发生堵塞。

外加剂可以显著提高混凝土的性能，实现混凝土在泵送中良好的流动性，通过喷嘴后立即成型，即初凝时间可控的问题，在对混凝土外加剂进行比选的过程中，得到满足3D打印要求的外加剂。为了保证混凝土在管道中的流动性，需要添加一定量的减水剂，为了让混凝土从喷嘴挤出后可以快速凝结，需要在挤出的同时添加一定量的速凝剂，缩短混凝土的初凝时间和终凝时间。

6.2 打印结构的创新

打印结构方面，我们可以在利用新型的轮廓工艺上把两片批灰刀分置于喷嘴两侧即是在打印墙体内外部上。使内外侧墙体的表面趋于平整，减少在内部表面进行填充缝隙再贴上瓷砖，木板之类的墙饰。故障避免二次打印出现的故障或问题。再在最后可调节的批灰刀进行精确的位移操作利用计算机控制再对上表面进行修葺。

并且对于上表面的处理上，从建筑的穹顶得到启发在替代预制模板支模的施工过程中，利用这种古老的建造智慧，来实现无支模的屋顶3D打印建造。在依托于穹顶样式的屋顶3D打印上，以此作为所知的“模”完成整个建筑的打印，由于房屋打造的完全是一个整体故可以很好的解决工业预制拼装在接头处稳定性、抗震性等各项安全性能上的问题。

6.3 打印机械的创新

美国南加州大学在3D打印建筑，打印过程中的轮廓不平整的问题上提出用轮廓工艺Contour Crafting（cc），这个工艺仅在打印混凝土外侧设置批灰刀，通过改进其方法，在打印机的喷嘴上加固两个类似于批灰刀的装置，从而在混凝土喷出打印的过程中自动化有效且的简便的抹平由于混凝土自生性质的而导致的表面不平整问题。

由于完成上述打印对于打印机有灵活性上有很高的要求，所以在打印机械上选择六轴机械臂打印机。利用大型吊臂和多节的机械臂关节组织来完成这项灵活，精密度极高的施工操作活动。在定位系统上可以依照工业机械臂精确性的特点利用传输红外线信号来进行精确定位以及利用计算机控制两片批灰刀的转动实现在表面处理上的完善，从而达到预期效果。实现3D打印建筑的要求。

但由于混凝土自身材料上的限制，混凝土抗压不抗拉，是一种各向异性的材料。因此除了在材料上加入一些纤维外我们仍需要在施工过程中在其间利用钢筋，即传统的钢筋混凝土材料来搭建房屋。可以考虑采用钢筋接驳器进行自动化安装，过程如图1所示。

图1 钢筋接驳器

图2 拼装电线

6.4 内部构造

针对于内部的电线和水管，考虑采用拼装的方式，如图2所示。或者采用分构件的打印方法，在打印混凝土结构的同时打印电线（金属）和水管（塑料）。

7 结论与展望

随着3D打印技术的逐渐发展，建筑以后只需在材料模型完成的基础上完成极短时间的打印。甚至将房屋内部排水、通气、通电等基础设施一并打印，在材料上也无需利用钢筋混凝土而可以直接打印成型并具有有良好的整体性以及各项设施完善。打印机愈迷你小巧，减少其成本，并在实际生活的基础民工建中逐渐趋于普及

利用建筑3D打印的快速建造优势，可在地震、台风、泥石流、海啸等自然灾害后快速进行灾后安置工作，可在最短的时间内将受灾群众安置于简单的灾后避难所，大大降低了灾后的损失。并且利用建筑3D打印技术，还可以利用灾后的大量建筑垃圾，就地取材，做到在短时间内修建起大量的灾后用房，提高灾民的生活品质，快速进行灾后重建工作。

3D打印技术在未来可以把此优势推广及高楼建筑之上，使建造高楼时对周边的危险和影响大大降低。并且3D打印的快速成型和结构形式任意性的特点，可以把人类在任意地形下的建筑建造的实现提供了可能，房屋的建造不再受限制于下垫面因素亦或是地形地貌和地表植被，水下板块面凹凸不平把建筑打印到各个地方。甚至让古巴比伦的“空中阁楼”得以实现。

[1]周文娟,陈家珑,路宏波.我国建筑垃圾资源化现状及对策[J].建筑技术,2009,40(8):741～744

[2]王灿才.3D打印的发展现状分析[J].丝网印刷,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小时内兴建10间房[J].中国建筑金属结构,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]张云升,孙伟,沙建芳.粉煤灰地聚合物混凝土的制备、特性和机理.建筑材料学报[J],2003,6(3):237～242.