建筑3D打印技术及材料的研究进展

李小龙 王栋民

（中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京 100083）

0 前言

信息化和数字化是现代社会各行业发展的必然趋势，世界正面临史上的“第三次工业革命”浪潮[1-2]。增材制造技术作为数字化技术中的新兴技术，又称为3D打印技术。3D打印的思想起源于19世纪末的美国，并在20世纪80年代得以发展推广。由于打印速度快、成本低，且能打印复杂形状的模具、零件等技术优点[3-4]，3D打印在航天航空、生物医疗、珠宝制作、食品以及模具制造等诸多领域得到了广泛应用[5-6]。相比于上述各领域，3D打印技术在建筑行业发展相对缓慢，建筑业在3D打印技术中占比较小，限制其在建筑业发展的一个重要因素就是材料，传统的水泥与混凝土难以满足3D打印技术在建筑中的应用要求，亟待研究开发具备良好可挤出性和可建造性、凝结速度适宜的水泥基3D打印材料[7]。相对于传统建造技术（图1），建筑3D打印技术不仅可以缩短建筑时间，还可以降低建筑成本，节约劳动力，提高建筑安全保障[8-9]。

图1 新建混凝土建筑的典型支出分布[13]Fig.1 Expenditure distribution for new concrete buildings

建筑3D打印技术是以数字模型为基础，采用以胶凝材料、骨料、掺合料、外加剂、特种纤维等材料为主制成的特殊“油墨”，利用计算机制图将建筑模型转换为三维设计图，通过分层加工、叠加成型的方式逐层增加材料将建筑物打印建造出来的技术[6,10]，其本质是综合利用管理、材料、计算机与机械等技术的特定组合完成工程建造的技术[11]。建筑3D打印技术示意图和打印机械如图2所示，基本原理如图3所示[12]。

图2 建筑3D打印技术示意图（a）和打印设备（b）Fig.2 Architectural 3D printing technology diagram (a)and printing equipment (b)

图3 3D打印建造的基本原理Fig.3 Basic principles of 3D printing construction

1 3D打印产业的发展状况

3D打印的思想起源于19 世纪末的美国，但美国在2009年之后才开始3D打印技术的发展。美国材料实验协会（American Society of Testing Materials,ASTM）于2009年成立了专门的3D打印技术委员会F42，推动3D打印相关标准的建立和3D打印技术在各领域的快速发展。国际标准化组织（ISO）也成立了3D打印委员会TC216，联合ASTM共同开展3D打印标准的制定工作[14]。目前，两大机构在术语、工艺、材料、测试方法、设计和数据格式等六个方面达成了初步的标准工作框架。2012年8月，美国为改变制造业现状，加大了对关键通用技术和先进制造技术的支持，并建立全球首个“国家增材制造创新中心（National Additive Manufacturing Innovation Institute,NAMII）”[15]。美国率先在国家层面建立了3D打印的战略规划，成为全球3D打印技术的推动者。NAMII自成立以来积极开展资源整合工作，并于2013年10月更名为“美国制造（American Makes）”，到2015年3月已成为具有130多家成员单位的覆盖美国主要地区的公-私合作联盟。此后，3D打印技术在日本、英国、德国、瑞士、澳大利亚等发达国家掀起研究、推广的浪潮。

我国3D打印产业的发展和政策规划起步较晚，根据国内的发展情况出台了系列相关政策，支持3D打印技术的发展[2]。2013年4月，3D打印技术首次入选《国家高技术研究发展计划（863）计划》和《国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南》，从此被提上了以科技推动制造业转型的日程。北京市科委于2014年3月发布了《促 进北京市增材制造（3D打印）科技创新与产业培育的工作意见》，表明3D打印技术的发展正逐渐被提升到地方政府的战略规划中。2015年2月，我国出台了《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016）》，将3D打印技术进一步提升到国家战略层面，形成全方位的产业战略规划，推动3D打印产业的良性发展[16-17]。2016年8月，住房和城乡建设部专门针对建筑业下发了《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》，对3D打印技术提出了新的指示：积极开展建筑业3D打印设备及材料的研究，结合BIM技术应用，探索3D打印技术运用于建筑部品构件生产，开展示范性应用。

2 建筑3D打印技术的研究进展

建筑3D打印技术起源于1997年美国学者Joseph Pegna提出的一种适用于水泥材料逐层累积并选择性凝固的自由形态构件的 建造方法[18]。建筑3D打印技术作为新型数字建造技术，相比于传统的建筑施工工艺，具有以下诸多优点[19-20]：

1）通过恒定的施工速率来减少现场施工时间，提高施工效率；2）无需模板，可减少模板的浪费从而减少施工成本；3）不使用模板使得建筑的可定制性强，实 现更复杂的设计和审美目的；4）创造基于高端技术的工作岗位；5）根据计算机设计图，全程由电脑程序操控，节省人力，也使伤亡事故风险大幅减少；6）可降低建筑粉尘及噪音污染，保护环境，实现绿色环保。

2001年，美国南加州大学（University of Southern California）的Behrokh Khoshnevis提出了一种称为“轮廓工艺”(Contour Crafting,CC)的建筑3D打印技术[21]，通过混合料分层堆积成型实现建造。目前，该团队在美国宇航局的支持下，研究利用月壤材料并 采用轮廓工艺在月球上建造太空基地的相关技术[22]。此后，美国俄亥俄大学（Ohio University）的Paul等[23]改进了轮廓工艺，并提出了轮廓工艺-带缆索系 统（CC-cable-suspended）。

瑞士苏黎世联邦理工学院（Federal Institute of Technology,Switzerland）的Fabio和Matthias等从2006年开始进行了由大型机械臂主导的数字建造研究，其中较为独特和典型的建筑3D打印技术即为砖块堆叠技术，以砖块作为材料单元，环氧树脂作为粘结剂粘结补强[24]。

英国Monolite公司的意大利工程师Enrico Dini在2007年提出了一种通过喷挤粘结剂来选择性胶凝硬化砂砾粉末实现逐层堆积成型的方法，即D-Shape工艺（如图4所示）[21]，图5为其机械装置。该团队已于2009年成功打印了高1.6m的雕塑，并针对D-Shape技术采用月壤建造月球基地进行了研究[25]。

图4 D型工艺流程Fig.4 D-shape process

图5 D型机械装置Fig.5 D-Shape mechanical device

2008年，英国拉夫堡大学（Loughborough University）创新和建筑研究中心Lim等[21]提出来了被称为“混凝土打印”的建筑3D打印技术，该技术也是基于混凝土喷挤堆积成型的工艺[26]。该团队研发出了适合3D打印的聚丙烯纤维混凝土，并于2009年成功打印出尺寸2m×0.9m×0.8m混凝土靠背椅，并对其原位剥离进行了立方体抗压等性能测试[13,27]。

3 建筑3D打印材料的研究进展

3.1 国外研究进展

国外建筑3D打印材料的研发早于国内。从2012年开始，瑞士苏黎世联邦理工学院的Michael等[28]采用砂石粉末为原材料，经过数字算法建模、分块三维打印、堆砌组装等过程完成了一个3.2m高的Grotesque构筑物的3D打印建筑，被称作数字异形体，如图6所示。

图6 数字异形体Fig.6 Digital alien

此后，Le等[13]研究了一种用于建筑3D打印的高性能纤维增强混凝土，该混凝土设计成通过喷嘴挤出以构建逐层结构部件，并研究了该新拌浆体的可挤出性和可建造性，发现其与工作性和凝结时间相互关联，这些性能受配合比和超塑化剂、缓凝剂、促凝剂和聚丙烯纤维的显著影响。Perrot等[29]针对水泥基建筑3D打印材料提出了一个理论框架用于水泥基材料的结构构建和3D打印引起的载荷，之后在硬化浆体上进行了试验，发现在3D打印挤出过程中必须考虑结构累积，以便找到最快的可接受的建造速率。Ming Xia等[30]为了满足建筑3D打印机的要求，提出了一种创新方法来配制基于地质聚合物的建筑3D打印材料，使用不同的关键参数，例如粒度分布、粉末床表面质量、粉末真/堆积密度、粉末床孔隙率和粘合剂液滴渗透行为来定量评价制备的地质聚合物的可打印性。

在建筑3D打印材料中，打印建筑构件需要使用合适凝结时间的砂浆。Noura Khalil等[31]采用两种水泥，普通硅酸盐水泥（OPC）和硫铝酸盐水泥（SAC）制成的混合物来控制和调节砂浆的凝结时间和可打印性，开发出由7% SAC和93% OPC制成的可打印材料。Manuel Hambach等[32]介绍了波特兰水泥和增强短纤维（碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维，3～6mm）的建筑3D打印复合材料，制备出具有高抗弯性（最高为30MPa）和抗压强度（最高为80MPa）的新型打印材料。Mechtcherine等[33]研究了一种基于建筑3D打印技术制作钢筋混凝土（RC）的新方法，该方法将RC构件分成单独打印的不同混凝土段，然后与钢筋系统一起组成独特的构件。

3.2 国内研究进展

2014年，清华大学土木工程学院安全与耐久实验室的冯鹏等[34]采购美国Z Corporation公司生产的3D打印机（型号为Spectrum Z510），以石膏硬化体为例，研究工程结构中可能采用的粉末和液体混合胶凝体系的3D打印结构的细观特征和力学性能，通过打印的立方体抗压、棱柱体抗折等试验获得了力学性能参数，并提出相应的应力应变关系模型。

同年，上海交通大学土木工程系的范诗建等[35]对建筑3D打印材料进行了相关研究，根据磷酸盐水泥具有快硬、早强、粘结强度高和良好生物相容性等特点，将碱性氧化物和磷酸盐以及添加剂等按比例配合后研磨成一定细度的固体粉末，配成磷酸盐水泥，通过外加剂调节凝结时间在1～15min，1h抗压强度达到45～65MPa，抗折强度达5.5～10.5MPa，并将其用于建筑3D打印。

蔺喜强等[36]以快硬硫铝酸盐水泥和矿物掺合料组成复合胶凝材料，通过添加复合调凝剂和复合体积稳定剂制备了可用于建筑3D打印的混凝土材料，其初凝时间为20～50min，终凝时间为30～60min，可灵活控制，2h抗压强度10～20MPa，28d抗压强度50～60MPa，满足建筑3D打印的连续性和强度要求。任常在等[37]为了解决建筑3D打印材料的性能、成本及技术应用等问题，通过工业固体废弃物为原料制备了硫铝酸盐胶凝基质材料，配以促凝剂、缓凝剂等形成建筑3D打印粉体，其凝结时间可控制在10～30min，2h抗压强度达到15～20MPa。

张大旺等[38-39]研究了碱金属激发剂的Si/Na比对3D打印地质聚合物浆体的粘度、屈服应力和发展速率及结构重建速率的影响，同时也研究了钢渣掺量对3D打印地质聚合物材料新拌浆体流变性的影响[40]。

张宇等[41]设计了一种新型的建筑3D打印混凝土，通过纳米粘土（NC）和硅灰（SF）对水泥浆体进行改性，使水泥浆体在输送过程中具有良好的流动性，在静置状态下具有满意的形状保持性，并系统研究了该新拌3D打印混凝土的可建造性、流变性（粘度、屈服应力和触变性）、和易性、初始强度、开放时间和水化热，结果表明，少量NC和SF使混凝土的可建造性分别提高150%和117%，显著提升了混凝土的触变性和初始强度。

4 国内外建筑3D打印的应用

目前，国内外的3D打印构件及建筑大多基于“轮廓工艺”技术，以下是世界各国比较典型的建筑3D打印的应用案例。

4.1 国外应用案例

美国明尼苏达州的工程师Andrey Rudenko团队采用单头打印机器，利用轮廓工艺打印完成了占地约3m×5m的中世纪城堡（图7），该城堡采用非 整体现场打印工艺，部分构件打印完成后在现场进行吊装[42]。

图7 建筑3D打印的中世纪城堡Fig.7 3D printed medieval castle

菲律宾的Lewis Yakichl借助3D打印机利用轮廓工艺用时100 小时打印出了占地面积10.5m×12.5m×3m的别墅式酒店，该别墅式酒店有两间卧室、一间客厅及一间带按摩浴缸的房间，如图8所示[43]。

图8 3D打印酒店Fig.8 3D printed hotels

2018年3月，美国德克萨斯州一家创业公司ICON在西南偏南大会（SXSW）上公布，其利用3D打印技术，以水泥砂浆为材料，打印了一栋6 0.4m2的房屋（图9），且造价仅为1万美元，约合6.3万人民币。

图9 ICON公司打印的房屋Fig.9 Printed house of ICON

同年3月，欧盟的两家公司Arup和CLS Architetti合作建造了一座命名为“3D Housing 05”的3D打印房屋，在米兰的中央广场Piazza Cesare Beccaria打印了原型房屋，并亮相于Salone del Mobile设计展，如图10所示[42]。

图10 3D Housing 05Fig.10 3D Housing 05

4.2 国内应用案例

盈创建筑科技（上海）有限公司采用3D打印技术，以砂浆为打印材料，率先于2014年4月在上海张江高新青浦园区内打印了10幢建筑。2015年5月打印了一栋5层楼的楼房和一套1100m2的精致别墅。2016年7月在迪拜用时19天打印出全球首个3D打印办公室，占地面积约为250m2[44]。

2016年6月，北京华商腾达工贸有限公司使用强度等级30MPa低坍落度混凝土，采用类似滑模工艺加逐层堆积的3D打印方法，耗时45天建造了一栋高6m、占地400m2的别墅[45]。该公司使用两个打印头骑跨的形式，不仅解决了打印过程中纵向钢筋的布置问题，还提高了建筑的抗震性，为建筑3D打印工艺中的布筋提供了思路，如图11所示。

图11 北京华商腾达打印的别墅Fig.11 Printed villa of Beijing Huashang Tenda

2019年10月，由河北工业大学马国伟团队采用装配式混凝土3D打印技术，按照1:2缩尺寸建造的跨度18.04m、总长28.1m的赵州桥落成于河北工业大学北辰校区，如图12所示[46]。该团队借鉴已建成3D打印建筑的建造经验，采用模块化打印技术，并对节点装配形式进行优化设计，在现场直接进行装配式建造。

图12 3D打印赵州桥Fig.12 3D pr inted Zhaozhou Bridge

2019年11月，清华大学建筑学院与上海智慧湾科创园合作采用3D打印技术完成了一条长14.1m、宽4m的3D打印混凝土桥梁，如图13所示。

图13 3D打印混凝土桥Fig.13 3D printed concrete bridge

同年11月，由中国建筑技术中心和中建二局华南公司联合打印的世界首例原位3D打印双层示范建筑在龙川产业园完成主体打印，该建筑是高7.2米、面积230m2的双层办公室，打印完成净用时不到60小时，如图14所示[47]。

图14 3D打印两层办公室Fig.14 3D printed two-story offi ce

5 存在的问题及展望

进入21世纪以来，国内外大量科研院所和企业对3D打印技术进行了一系列研究，3D打印技术得到飞速发展。限制建筑3D打印技术发展的一个重要因素就是材料，建筑3D打印材料研究主要存在以下问题：

1）现有标准配制的水泥基建筑材料在工作性、粘结性等方面无法满足建筑3D打印材料的要求；

2）建筑3D打印材料的配合比不同于普通建筑材料，材料的孔结构及微观形貌等都发生了变化，进而影响材料的抗渗性、抗冻性和抗侵蚀性，需要进行系统的研究；

3）由于建筑3D打印是基于逐层打印的方式，因此材料既要满足下层已打印材料的支撑强度，又要避免层间粘结力不足的问题；

4）建筑3D打印材料既要保证能以流体形式顺畅挤出，还要满足打印过程中能快速凝结的性能要求；

5）需要建立建筑3D打印材料性能的完善评价体系，包括：材料配制的强度要求、输送性能要求（泵送性和可挤出性）、端口成型性能要求、粘结性能要求、可建造性能要求以及耐久性能要求等。

从整体来看，3D打印建筑目前仍处于试验阶段，要实现大规模应用还需要很长时间。短期内，建筑3D打印技术只适于一些低矮建筑以及对安全性要求不高的构件的打印。长期来看，随着建筑3D打印技术的发展和推广，打印材料和打印设备两个领域会迎来空前的发展机遇。一旦建筑3D打印技术被市场广泛接受，传统的建造方式将被取代，建筑3D打印材料也将颠覆传统的建材市场。