混凝土3D打印技术研究与应用现状

祝云，陈景，刘东，徐国栋

（中建西部建设西南有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

3D 打印技术有着普通施工技术不可比拟的优势，使其得到了迅速发展。从80年代的初步了解，到90年代的熟知，3D 打印技术经历了从天马行空到掀起研究热潮的历程，目前已被广泛应用于建筑领域、生物医学、艺术设计、工业生产等多个领域[1-3]。被誉为“第三次工业革命重要标志”的 3D 打印技术，对现今社会产生了巨大的冲击，是一种可以改变世界的创造性科技[4]。

混凝土作为建筑工程的核心，为人类社会做出了重大贡献。随着可持续发展社会的脚步，混凝土材料向着高强、超高强性能方向发展。发展更加优异性能的材料同时，也就伴随着材料施工设备、人力等资源的消耗，这就需要为混凝土的绿色可持续发展开发出一种新的技术。

本文通过对混凝土 3D 打印的发展现状、原理及研究应用案例进行分析认识，来总结其在建筑领域所面临的问题，并对其发展前景进行展望。

1 混凝土 3D 打印技术

1.1 研究现状

3D 打印技术与混凝土技术结合应用于建筑领域不仅能最大限度地缩短施工工期、降低成本、节约人力资源、减少废弃物产生，而且能创造出更加精细化的产品，提高我国建筑领域的创新能力，推动我国经济的发展。

3D 打印技术最早起源于19世纪末，30 多年来，通过学者们的研究，使其技术成熟，是目前全球最尖端的技术之一。1988 年，美国 3DSystems 公司发明生产了第一台 3D 打印机，开创了 3D 打印世界。2012 年英国拉夫堡大学开发了一套适于商业用的混凝土 3D 打印技术，并与著名建筑设计公司（Foster + Partners）和施工公司（Skanska）合作，借助软件控制，在2014年利用水泥基浆体材料成功打印出混凝土墙体和构件等[5]（见图1）。

图1 拉夫堡大学 3D 打印的混凝土构件

美国航天局与南加州大学合作，研发出“轮廓工艺”3D 打印技术，24h 内打印出来一栋约 2500(ft)2的空心墙壁、质量更轻、强度更高的两层楼房（图2）。据介绍，还节省了 45%～55% 人力，大大降低了成本，缩短了工期，丰富了建筑美感，符合全球经济及环保效益[6-7]。2010 年，意大利 Enrico 教授发明了一种新的数字打印机，其打印材料为细骨料和胶凝材料，并在2014 年打印出高 4m，建筑质地、强度均可媲美于大理石的无需内置钢筋的建筑物[8]。

图2 “轮廓工艺”3D 打印的楼房

我国从90年代开始也在致力于研究 3D 打印技术，并且在生物医学、工业等领域取得了重大突破，与国际水平相当[9-10]。3D 打印技术自问世以来，之所以得到如此快的发展，与其有着不可比拟的优势是离不开的，不仅可以提高我国新产品的水平，促进经济增长，而且能够推动我国向着工业大国的发展。我们有理由相信，发展 3D 打印技术将是我国制造技术的关键，也将是各个产业领域及经济组织模式的变革。

1.2 3D 打印原理

3D 打印技术又称为增材制造技术，是快速成型技术中的一种，是通过程序控制一层一层打印堆积形成的三维结构，也即遵循加法原则。从原理上来分，一般分为两类：一类是选择性沉积打印，打印机喷头挤出胶凝性或粉末性材料，再按设计轨迹逐层叠加起来（图3）；另一类是选择性黏合打印，通过黏合剂将材料黏成三维实体结构。

图3 3D 打印原理图

目前，在建筑领域通常选用第一类打印机理来实现，借助 CAD 软件来将建筑结构数字化，可实现异地分散制造；将三维结构分解为二维，可制造出复杂的、普通施工技术无法完成的结构；采用从下而上堆积，一次性制造完成。采用这种打印机理与建筑所用材料性质是分不开的，并且此类技术工艺采用全自动、现场制造，更加快速、高效，所耗费的成本低，经过精确计算所需用的数量，可以避免材料浪费，贯彻落实十三五规划绿色发展理念，改善生态环境质量，实现建筑行业的可持续发展。发展混凝土 3D 打印技术，是《国家增材制造发展推进计划》及《中国制造 2025》中的重要组成部分，尤其在我国大力发展建筑业期间，发展混凝土3D 打印技术就是推进我国 3D 打印产业的主要动力。

1.3 存在的问题

1.3.1 混凝土材料

3D 打印技术在建筑业的发展相对比较缓慢，其至关重要的原因就在于材料问题。3D 打印对混凝土材料要求较高，具体为：（1）凝结时间足够短，混凝土从打印喷头出来要迅速初凝，以保证混凝土在往上堆积过程中不产生变形、倒塌；（2）流动性好，以确保在管道输送过程中不会产生堵管现象；（3）强度高，混凝土强度必须满足国家标准，能够承受自重及动负荷；（4）粘度高，打印过程中层与层之前要有足够的黏度来黏合，以确保层间所需作用力；（5）可塑性好，打印过程中结构并无支撑，良好的可塑性保证成型制造过程正常进行。

李旋[11]通过正交试验来研究混凝土的最佳配合比，并以跳桌试验和 P—S 曲线等来描绘、表征材料的流动性指标及塑性承载力和其他性能指标。对于 3D 打印材料的问题，还需进行更多研究；对于不同地方，环境不同，所用原材料性质不同，还需进行更多尝试。

1.3.2 相关配套

建筑物达面积相对较大，形状各异，这就对 3D 打印相关配套提出了更多要求。打印机整体要性能优异、出料嘴及喷嘴要精度准确，根据构件不同要适当调整，且集料与喷嘴要保证匹配。

软件是 3D 打印的核心，由三部分构成，分别是：建模、切片、三维行程控制软件。建模软件以 CAD、3Dmax 等支持 STL 格式的软件为多；切片软件的主要任务是转码，即将 STL 格式转换成 G 代码；三维行程控制软件则负责读取并完成打印，也是其中最重要的一步。

1.3.3 打印技术

我国 3D 打印技术发展与国际相比表面上无太大差异，实则差距明显，主要是质量控制上存在瓶颈。表现为材料自身性能较差，拌出的混凝土性能不理想，导致强度不合格，存在一定安全隐患。

建筑物打印尺寸、精度、效率、稳定性方面还不尽人意。打印速度过快，容易出现变形；过慢，影响粘结强度，稳定性得不到保证，在建筑物的精度和打印速度之间存在严重冲突。

打印工艺的设计影响混凝土的供应，中期磨平影响构件的美感，后期维护影响打印质量。

2 工程应用

2.1 上海青浦园区打印屋

全球首批 3D 打印实用建筑房屋是上海盈创公司自主研发的 6.6m×10m×150m 的 3D 打印设备，并在 24h内以建筑垃圾、高标号水泥和玻璃纤维为原料所打印出来的十幢有着纹理的完整的房子[12-13]。经过测试发现，此建筑比传统建筑强度更高、质量更轻；通过填充保温材料使得墙体成为自保温墙体；通过在打印过程中程序设置给房屋的梁和柱预留空间，解决墙体结构的承重问题；根据需要，任意改变房屋形状，满足设计者创意，并且可在高层建筑中使用，设计图如图4。此次 3D 打印建造中对建筑垃圾进行再利用，实现了将建筑垃圾变废为宝，保护环境；显著缩短了工期；房屋平均造价仅为 2～3 万元，降低了大约一半成本；3D 打印技术的使用，同样降低了建筑能耗。

图5 为上海青浦园区打印屋效果图和实景图。

图4 3D 打印100米下及100米上建筑

图5 上海青浦园区打印屋

2.2 混凝土城堡

美国工程师 Andrey Rudenko 利用 3D 打印技术完成了三维混凝土城堡的制造，城堡的墙体与塔顶先分别制造，再组合拼接完成。此城堡大小与现实建筑物无异，共有大小三个堡垒，其中较小堡垒顶是由一个人字形塔尖所构成（图6）。Andrey 本人还说道：3D 打印技术已经成熟，可以打造出无限量的古典装饰，建筑设计师可以将设计理念、复杂工艺、施工工艺运用到工程项目中，这也必将是未来建筑设计的发展方向。

图6 混凝土城堡

2.3 未来办公室——世界首个 3D 打印办公楼

2016 年5月世界首个占地面积约 250m2的 3D 打印办公楼在迪拜落地（图7），这座未来办公室是用长达37m、高约 6m、宽约 12m 的 3D 打印机，特种水泥混合物为材料，先在上海层层打印出混凝土构件，再运到迪拜安装完成[14-16]。整个建筑实用性已在中国、英国相继完成，各种性能均符合建筑要求。室内设计风格（大部分家具也是由 3D 打印）是依附于 Bene 的理想实验室概念，给人以小巧、现代的美感，仅用17天就完成了整栋楼的建造。打印工程无需现场施工，节约建筑成本约 80%，降低劳动力成本约 60%，大大降低了建筑材料浪费，约 60%。并且，迪拜方面还声明，3D 打印技术将是建筑设计的主要创造力，此座办公楼是由七国联盟携手打造出来的拥有尖端技术的新型建筑，这只是一个开端，未来世界将会因 3D 打印技术而改变。

图7 未来办公室

2.4 可移动混凝土 3D 打印机

瑞典 Lund 大学教授 Olaf 的增材制造团队研发出了一台使用机器人臂改装的，采用铝质材料制造并可去除底部装置的可移动混凝土 3D 打印机。同时，为了降低成本，设计打印机采用直径为 100mm 的孔镗削螺旋钻来输送混凝土[17]。

打印机在打印过程中将打印头转换为 Rapid 代码路径，依靠 Matlab 软件结合另一种算法来保证混凝土的连续输出质量及它的机械性能。理想状态下，这台打印机能够进入指定位置，锁定对象，完成之后移动到下一个目标位置，方便工程实施。一方面，因打印机随时移动，与普通打印机相比喷头装置无需大面积升降、旋转，降低装置损坏率，减少维修费用；另一方面，可以加快施工速度，避免因工程面积大导致所需用大型号打印机，同时型号变大不仅增加了制造费用，而且混凝土输送距离变远，打印速度随之降低。可见开发并优化可移动式混凝土 3D 打印机对降低成本是多么重要，是3D 打印技术的发展的进步，也是建筑业发展的必须，环境的保障，人类的福利。可移动混凝土打印机见图8。

混凝土打印喷头设计：1. PVC 管道 Y 管；2. PVC 管帽；3. 3D 打印喷嘴座；4. 可替换喷嘴；5. 刮水电机；6. 100m 柱塞镗孔螺旋钻；7. PVC 管帽；8. 电动机联轴节；9. 印刷头安装支架；10. 电机安装板

图8 可移动混凝土 3D 打印机

2.5 荷兰风情运河屋

荷兰风情运河屋（图9）是由 DUS 建筑事务所设计，采用约 3.5m 高的特大型 3D 打印机 KamerMaker逐层打印，再以乐高积木方式堆积而成，共有13个房间[18-19]。整个建造过程采用透明式，即：参观者根据自己的兴趣参与整个建造过程，体验 3D 打印技术的震撼。

图9 荷兰风情运河屋

3 前景展望

随着建筑业的智能化、自动化、高度集成化，和材料、信息、控制技术的不断优化及资源最大利用化，混凝土 3D 打印技术将推动建筑工业化的实现，未来发展平台将更加广阔。为了改善环境，使世界万物生存和谐，走可持续发展道路，3D 打印技术务必要引起重视。如今，混凝土 3D 打印技术还处于研究发展阶段，在原材料的选择、破碎工艺、配合比设计方面可以建立新的设计理念，改善混凝土材料性能；软件控制方面，要进一步提高、优化其便捷化和智能化程度；质量控制方面，要着重、加强研究打印速度、精度和稳定性，保证三者之间表现为协调和促进关系，确保建筑质量、消除安全隐患、延长建筑服役寿命等。

《国家增材制造（3D 打印技术）发展推进计划》及《中国制造 2025》中明确指出，我国急需发展增材制造技术这一同类先进技术来加快我国经济发展方式的转变。当前，应该把握好机遇，整合行业资源，实现混凝土 3D 打印技术的跨越式发展。尽管还有得时日，但是该技术的应用普及推广是注定的，3D 打印建筑必将是行业内的新标杆。