论 3D 工程打印技术在建筑工程施工中的应用研究

高鹏举

（中国新兴建设开发有限责任公司，北京 100039）

0 引言

21 世纪计算机技术的飞速发展，给传统工业的发展带来了巨大的变化。人工智能 AI（Artificial Intelligence）制造在不同的领域的创新应用，加快了传统生产模式的改变，提高了生产效率。当然，企业只有不断地技术创新，才能够生存和发展。在建筑工程领域，工程建设现场作业量大，劳动力需求多，近几年人口老龄化和年轻劳动力的相对短缺，这一现状已成为目前建筑业的一个突出的矛盾。与此同时，目前的建筑市场竞争更加激烈，企业的利润越来越低，施工现场管理费用的投入在不断增大，现场的浪费严重，环保绿色施工的要求，劳动力工资的上涨，所以这一切因素显示，建筑企业必须在技术上创新，生产方式上创新，才能在激励的竞争环境下生存和发展，才能够保证产品质量、安全、进度和环保要求。唯一的创新方向是：“减少现场作业量，管理标准化”，即工程建设逐渐向工厂化转变，混凝土装配式建筑就是顺应这一发展的需要而诞生。今天 3D 工程打印技术的诞生，更加促进这一需求的快速发展，3D 打印技术已经被应用到一些单体别墅项目的建设上。比如一幢 2 层 130 多 m2的沙特阿拉伯政府办公室，只用不到一周的时间就打印完成。所以 3D 工程打印技术是在装配式建筑基础上的更大的创新发展，它将彻底改变我们传统的施工生产作业模式和设计理念，同时改变人类的居住模式和新材料的创新应用方式。3D 技术一旦成熟应用到打印高层建筑，未来的房屋建设不但在施工方式上可以变简单化，建筑的外形会更加美观，功能上将更加完善，而且在成本上会更加低廉，建筑成品会更加环保和耐久。3D 工程打印的快速发展将会给当下的房屋建筑工程领域带来巨大变革，解决劳动力的缺乏、材料的损耗、质量标准化、生产安全管理的要求，减少繁琐的资料验收和签证控制，以及施工污染、垃圾处理的压力、资源浪费的压力。所有这一切问题，随着 3D 工程打印技术在建筑领域的应用而变得简单。建设一栋房子，就像打印一个咖啡杯一样简单。误差和标准可以随意设定和控制。在本文中，重点是分析在高层建筑施工中，如何进一步应用 3D 工程打印技术，存在哪些技术难题。比如打印机如何在水平和垂直方向定位移动，现场如何同时使用多种打印材料，如何研制强度高的打印材料；混凝土梁，板，柱的如何有效衔接打印，在打印过程中如何配置钢筋解决抗震和抗剪的受力问题；内外墙体如何设计以满足打印的要求，如何把打印和浇筑混凝土有效配合（外墙打印空腔的墙体中灌注保温材料）。本文最终目的是要达到：“应用 3D 打印技术打印所有土建和装饰的分部分项工程，能够节约劳动力，加快进度，提高经济效益”。为了达到这一目的，需要建筑工程师和科技工作者考虑和解决三个主要方面的问题，一是可行的高强度打印材料；二是新的设计理念；三是结构构造和受力技术问题。以上都要以 3D 打印为中心，重新定位，使 3D 工程打印技术能够成功应用到打印高层建筑。

1 3D 打印建筑的现状分析

3D 打印技术已经开始被应用到打印单体小型住宅、别墅和 6 层的住宅项目。2018 年美国德州的一家建筑公司在奥斯汀应用 3D 技术成功打印了一栋单层 148 m2的普通住宅，只用了一天时间就完成了所有内外墙的工作量。该房屋的打印材料，主要是由黏结性的石膏类矿物质混合制成，特点是粘稠性和黏结性较好，流动性满足打印的需求，材料的强度和混凝土强度相比较低，其强度相当于传统的砌体结构的强度，如砖混结构，或混凝土空心砌块等。该工程屋顶采用保温轻体压型复合彩板。梁和柱采用一次性打印的施工形式，柱子先打印外围混凝土，相当于打印了一个方形的混凝土模板，省去了支设模板的工序，然后浇筑混凝土；梁是采用暗梁形式，在打印墙体时，在梁的部位放入钢筋一次性打印完成。分析该工程特点，在目前国内外打印完成的建筑，建筑外观基本还是保持传统的设计风格，尽管个别建筑外观有一些弧形设计，墙体可以打印弧形造型，但是从构造上没法打印楼板和屋面，楼板和屋面还需要预支模板浇筑混凝土。目前的打印机构造是由一个水平履带车拖动一个机械臂来完成的，机械臂的端头是一个智能化的计算机主板，该主板可以被计算机 3D 运行软件控制运动轨迹，执行打印命令。目前打印机的构造是根据房子的设计建筑面积来设计的。该工程面积小，不需要水平进行大范围的移动，小的机械伸缩臂的半径就可以满足连续打印的范围。未来打印高层住宅，打印机械臂需要重新设计构造，同时满足水平移动和垂直移动的需求。同时现在的 3D 打印机还被应用到打印一些建筑构配件方面，比如化粪池，通风道，烟道，花坛，高速公路的隔离墙等。以上是目前 3D 打印技术在工程领域应用的整体简单概括，打印的墙体如图 1 所示。

图1 小型别墅项目 3D 打印墙体

2 3D 工程打印技术未来应用到高层建筑施工中的可行性分析

2.1 打印框架结构的非承重内外墙

根据现有的工程实例，打印的墙体质量分析，框架结构的墙体完全可以使用 3D 来打印。在高层框架结构的墙体施工中，如果引用 3D 来直接打印墙体，就会减少墙体的大模板施工，不但节约了模板的材料、安装人工费用和吊装的机械台班成本，更重要的是减少了施工工序，加快了施工进度，减少了噪音。但是剪力墙是否可以直接打印，需要在结构设计上创新，尤其是剪力墙的钢筋绑扎如何配合打印机工作，目前还没有工程实例。墙体的厚度和中间的空腔可以根据功能和设计需要达到，比如隔音隔热打印材料可以调配颜色，外墙的装饰颜色可以一次性打印完成，不需要涂料施工，如图 2 所示。

图2 外墙打印样式（中间空腔填充保温材料）

2.2 建筑基础及护坡施工可以使用 3D 工程打印技术

目前研发的 3D 打印机，机械臂同时有 3 个功能，可以挖掘、焊接和打印。如果用在基础施工的护坡施工，可以打印护坡，也可以挖掘土方，土方通过传输带运输到地面的运输卡车上。打印机也可以自动焊接底板钢筋，基础剪力墙及柱子的钢筋。如果 3D 打印机能够在基础施工中创新使用，现场投入的劳动力将大大减少，工程建设将会变得更加简单和快捷。近期由美国 Apis Cor 3D 建筑打印公司完成的迪拜政府 2 层办公楼，建筑高度 9.5 m，面积 640 m2，基础采用传统的混凝土基础，但墙体和柱子是用 3D 打印完成的，用 3D 打印的柱模，用钢筋和后浇筑混凝土完成。打印机通过起重机定位移动，在移动的状态下可以打印更大范围的建筑面积。本项目的打印材料是结合当地的资源，用一种石膏加纤维材料混合制成。现场连续打印作业，无施工接缝。3D 打印的墙体，可以满足弧形造型的需要，由计算机控制，很容易打印有弧度和曲线造型的建筑，墙体的厚度可以根据设计要求调节，中间的管线可以在打印的过程中添加和预留。墙体空腹可以加入保温材料，同时减轻结构的自重，墙体的空腔的形式可以设计，施工现场如图 3 所示。

2.3 混凝土柱子施工使用 3D 工程打印技术

图3 迪拜办公楼基础打印

传统的结构柱施工，先是钢筋绑扎，然后支设模板，最后浇灌混凝土。如果引入 3D 工程打印技术，可以直接打印柱模，如图 4 所示，不需要支设模板，省去模板的安装工序，加快进度。在打印材料中加入纤维，增加强度。如果柱子是设计为圆形的，3D 打印的优势会更加突出，会更加节省人工和材料。就目前现有混凝土来考虑，如果能够直接打印普通混凝土，将是一个很大的突破。要求混凝土的颗粒级配要小，但强度要高，和易性和流动性及稠度要好，这样特殊柱模打印材料和普通混凝土配合使用，就可以省去传统的模板的工序，直接打印柱模和梁模，中间用普通混凝土浇筑。

图4 混凝土柱子打印

3 创新设计理念 设计出容易打印的建筑外观和构造

3.1 建筑外观适合 3D 打印

如果 3D 工程打印技术能够大量引用到建筑领域，设计上必须要突破传统的建筑设计理念，传统的房屋基本上都是火柴盒式的立方体形状，尽管近几年设计风格有些变化，但是变化不是太大，而且目前的施工工艺建筑有特殊造型的建筑成本很高。但是 3D 工程打印，必须要求建筑外观能够更符合打印需求，更容易一次性完成，比如球形、椭圆、三角形等形状。而且设计的图纸形式也会发生变化，有些建筑部位只需要一个 3D 的模型就可以，计算机就可以识别和打印。比如在中国江苏的一个四合院的房子，建筑 130 多 m2，是通过无人机扫描一个同样的其它已经建好的四合院的图片，输入电脑建模，先后 3 d 打印完成。迪拜政府的办公楼，造型基本以弧线为主，层高 9 m，3 D打印显得非常容易完成这样类似的造型。和传统的施工工艺相比，要施工类似的特殊弧形的结构，需要加工特殊的模板，不但费用较高，而且模板材料只能是一次性的使用，造成浪费。新设计理念和建筑外观打印完成的建筑如图 5～6 所示。

图5 迪拜政府办公楼

图6 建筑外观设计实例

3.2 内部的构造设计适合 3D 打印技术的需求

建筑的内部，多大程度可以应用 3D 工程打印，取决于设计构造。图 7 是 3D 打印的建筑内部装饰构造。其结构空间与传统的办公室室内的布局构造完全不一样，不但要满足功能空间的需要，同时要考虑如何在结构上被 3D 打印，既要满足结构上的相互支撑和连续性，又要满足美观和使用空间。

图7 3D 打印建筑内部设计理念展示

4 对打印材料的要求

4.1 高强度的打印材料

如果要用 3D 打印高层建筑，打印材料的强度是一项核心技术要求。这就要求对传统的混凝土性能进行改进。具备高强度的适合打印的混凝土材料是决定 3D 打印技术是否可以打印高层建筑的关键，混凝土材料既要满足强度要求，也要满足和易性稠度的要求。

4.2 装饰打印材料和辅助功能的打印材料

不但要满足结构打印需要强度高的混凝土打印材料，同时也要满足装饰和构造功能需求的打印材料。根据设计的建筑功能和部位不同，需要研发不同的打印材料来满足设计的需求，例如保温隔热隔声的打印材料，或构造装饰材料。打印材料的进一步研发是 3D 工程打印技术在建筑施工领域的关键。材料要满足和易性、强度、防火、防水的要求，在设计构造上要满足隔声和美观的要求。同时要满足环保节能的要求，兼顾材料的重复利用，在废旧隔墙拆除后，原材料可以回收，二次加工重复加工成打印材料，如粉煤灰、建筑拆除废料、电厂和钢厂的废料等，达到经济的效益和节约能源的目的。

5 打印高层建筑需要解决的技术难题

3D 打印技术在高层建筑施工中的应用，关键的技术问题是否从技术层面上可以得到解决，包括如何打印剪力墙，如何打印顶板（不用支撑模板），塔吊是否可以退出历史舞台。

5.1 剪力墙是否可以打印

解决剪力墙的打印能否实现的技术问题是 3D 打印高层建筑可否实现的关键。在打印材料满足要求的前提下，需要解决的一个核心技术是钢筋的安装工艺及结构的构造和节点构造技术要点，以使钢筋安装和构造形式同时满足打印机一次性打印成型的需求。这里论述的钢筋安装是钢筋在工厂加工完成，现场要机械化自动就位，混凝土一次性打印完成。打印完成的结构受力要满足设计要求，受力年限和安全符合设计的要求，打印的现场工程实体与在实验室缩小同比例的受力模型的各项实验检测相匹配。所以剪力墙的打印从技术上突破，需要结构设计师和工程打印机研发公司共同来完成。结构工程师解决钢筋的安装工艺和结构构造形式以满足打印，3D 打印公司需要解决的是计算机控制系统和打印机机械臂的构造来适合钢筋同步安装和混凝土打印。

5.2 模板是否可以退出历史舞台

如果 3D 技术可以打印剪力墙，剪力墙的大模板将会彻底退出历史舞台。混凝土的浇灌方式也会发生变化。打印机有可能同时控制 2 个或 3 个打印头，一个打印头打印模具构造（柱、梁和墙模具），另一个打印头打印受力混凝土。但是楼板的施工，是否必须使用模板来施工，还有待技术研发。如何在承受混凝土自身重力的情况下，完成打印，除非在结构的构造和造型上有创新设计，平面结构很难完成 3D 的打印。楼板的打印（无模板支持）是一个巨大的技术挑战，需要工程师和设计师和计算机工程师共同来解决。

5.3 塔吊是否可以退出历史舞台

在高层建筑的施工中，塔吊是重要的建筑机械。如果建筑工程彻底用 3D 来打印，打印机的机械臂可以直接打印到作业层。塔吊是否会退出历史舞台，这是一个潜在的技术问题，也是一个技术挑战，需要结构工程师和机械工程师共同来解决。就目前完成的低层单体别墅工程实例分析，完成的项目没有利用建筑模板和塔吊。混凝土柱、梁和墙体的浇筑模型，全部由 3D 打印完成；垂直运输是由机械臂来完成。但是高层建筑，钢筋的垂直运输是一个潜在的问题。即使钢筋在工厂加工完成，仍然需要解决垂直运输的问题。机械臂是否可以运输钢筋，将是一个未来解决的技术问题。

6 结语

3D 工程打印本身的技术已经相当成熟，但是如何大范围地成功应用到建筑领域，特别是打印高层建筑，是建筑领域的一次技术革命。目前打印完成的小型低层建筑具有局限性，在打印高层建筑方面，还需要解决一些特定的技术问题，然后才可以实现 3D 工程技术成功地用在建筑工程领域。比如需要研发高强度的打印材料和多种功能的装饰打印材料，打印剪力墙的技术构造问题，打印混凝土顶板的技术造型问题，塔吊是否会退出历史舞台，如何解决打印机机机械臂的垂直运输问题和钢筋的垂直运输问题等。同时设计理念如何创新，使得设计的外观和细部构造适合 3D 工程打印。只有从技术上和材料上及设计方案上满足了 3D 打印的要求，3D 打印技术才会真正成为工程建设领域的一次技术革命和创新应用。