3D打印建筑技术与材料研究

苗 臻 李建军 盖 阔 方延春 许朝阳

沈阳理工大学材料科学与工程学院（110159）

3D打印技术在各种领域都具有普适性，在建筑领域的研究与探索也有了新的发展。文章将对3D打印建筑相关技术进行全面地阐述。

1 3D打印技术概述

1.1 3D打印技术原理

与传统3D打印技术相似，3D打印时需要提前设计出建筑物的三维立体模型，导入计算机中转换成代码，再由3D打印机执行完成命令，最终打印出完整的建筑。由此可将施工方式分为三类[1-3]。

1.1.1 全尺寸打印

全尺寸打印即一次性打印出完整建筑，优点是打印机使用数量少，成本低且效率高。缺点是所用打印机体形较大，打印速度和打印精度都有限，且会受到温度湿度、风向风速等环境因素的影响。

1.1.2 分体打印再组装

分体打印再组装即按建筑物需求打印某一结构，也可打印出全部建筑结构，然后经人工组装、增添而成型。优点是不受建筑物尺寸限制，打印件便于批量生产，且对于单独构件来说精度和生产效率更大。缺点是运输成本和人力成本需求也更大。

1.1.3 群组机器人集体打印

优点是不受建筑物尺寸限制，多个类型不同的机器人协作打印可提高精度，降低打印机兼容性和智能性的要求。缺点是成本相对更高。

1.2 国内外3D打印建筑发展现状

3D打印技术在工程建设领域的研究进度与应用进程发展相对缓慢。根据相关统计，国外的3D打印技术在建筑工程领域的研究占比低于1%，而国内在此领域的研究占比约为3.2%[4-5]。

2 3D打印建筑材料研究

2.1 3D打印建筑材料

2.1.1 GRG材料（又称玻璃纤维增高成型品）

GRG材料质量轻、强度高，具有无限可塑性，可以做成任意造型，因此常被用来制作异形产品。GRG材料内部具有大量微孔结构，可自然调节室内湿度。同时，GRG还具有良好的声学效果。经测验，30 mm的GRG板声学反射R≥0.97，符合专业声学反射要求，适用于影剧院、音乐厅、会议室等工程项目。

2.1.2 混凝土类材料

建筑领域主要使用的材料，由胶结介质、骨粒颗粒或碎片、少量辅料按比例配合而成，可由建筑3D打印机进行打印。

2.2 3D打印材料的性能要求

2.2.1 流动性

打印过程中，物料的流动性决定着物料是否能通过喷口顺利挤出，同时也决定着整个施工过程能否顺利进行。研究表明，适量添加减水剂可改善物料颗粒间的滑动能力，从而提高混凝土砂浆的流变性。缓凝剂可以产生提高黏度的效果，合适的掺量也可以提高砂浆的流变性[6]。

2.2.2 凝结性

由于打印工作是一层一层累积进行的，前一层的物料在未完全凝固状态下的黏结性较强，可能不足以承载上层涂层。且随着时间推移，离开喷口的物料的黏结性能与力学性能还在不断发生变化。可通过适量添加促凝剂与缓凝剂，配合喷口的流速来调配物料的凝结时间，以达到最好的可建造性。

2.2.3 强韧度

强韧度是建筑打印质量是否合格的一个重要考量标准。3D打印的工艺特点是逐层累积，这也注定了3D打印建筑物的密实度与传统建筑物存在差距，使得强度相对较差。导致混凝土品质缺陷的一大因素就是凝固开裂。为保证建筑的稳定性，采用化学外加剂、粒径合适的骨料或者适量掺入纤维可以有效防止建筑材料凝固后的爆皮、开裂，提高抗拉压、抗弯折能力，并且能增强打印层间的黏结强度，防止裂纹产生与扩展[7]。

2.3 3D打印混凝土材料运用的技术

2.3.1 D型工艺

D型工艺（D-shape）是由意大利发明家Enrico Dini于2009年发明的，其打印原理是基于砂与镁基胶结剂固化的三维成型技术(3DP)。D型工艺打印机的底部有上千个喷嘴，可喷射出镁制黏合物，然后在黏合物上喷砂形成石质固体，通过一层层黏合物和砂子的结合，最终形成石质建筑物。

2.3.2 轮廓工艺

3D打印技术可以使用水泥混凝土材料，通过将事先设计好的立体模型载入3D打印系统，打印机即可按照模型在建筑场地上勾勒出一个整体轮廓。3D打印机喷嘴喷出高密度、高性能混凝土，打印机喷嘴附带的泥刀会规整混凝土的形状，然后逐层叠加建筑墙体，再由机械手臂完成整座房子的基本架构[8]。

近年来，各国科学家都热衷于开发月球，如果要在月球开发建造人类栖息地，可以取材于月球土壤，运用轮廓技术快速打印公路和建筑物。

2.3.3 混凝土打印工艺

混凝土打印（Concrete Printing）通过喷嘴挤压出混凝土，逐层叠加建造构件。打印混凝土主要由2 mm以下级配砂、水泥、硅粉、粉煤灰、聚丙纤维与水搅拌均匀而成，打印时每层厚度为6～25 mm。

与轮廓工艺技术相比，混凝土打印技术采用一次性打印整体截面技术，而不是打印轮廓后内部填充。打印出的构件抗压强度超过100 MPa，可通过穿竖向钢筋并施加预应力，形成无黏结预应力钢筋混凝土，提高其受力性能。

应用3D混凝土打印工艺，可打印各种建筑结构与艺术设计，且能快速实现非线性复杂造型。

3 3D打印在建筑领域的典型应用

3.1 3D打印步行桥

2019年10月，河北工业大学马国伟教授建造团队成功使用3D打印技术，仿制我国赵州桥，呈单孔敞肩拱外形，同样采用分段组装打印技术。内嵌智能传感技术，配合健康监测技术及物联网云平台集成系统，能够与外界进行数据传输，实时监测桥体健康状态。

3.2 世界上最大3D打印建筑

2019年，3D打印专家ApisCor于迪拜完成了世界上最大的3D打印建筑作品。其基础结构全部仅由一台3D打印机完成，而整体钢筋加固、管道电信安装、门窗地板铺设仍然是由人工完成。这座占地面积640 m2的建筑，整个工程耗时三周。相比传统建筑方式，人工量减少了50%，建筑废料减少了60%，且造价更加低廉，真正做到了节能减排，方便快捷[9]。

4 针对3D打印建筑问题设想的解决策略

加大研发投入，建立相关技术标准与行业规范。

通过配合外加添加剂来调节成型速度，研发新型建筑用料。

增加试验研究，积累工程实践经验来优化打印技术。

5 结语

3D打印技术在建筑领域的应用尚属于初级阶段，对于传统建筑工艺无法解决的难题，通过3D打印的方式可以给出很好的解决思路。但距离大规模普及使用仍有许多问题亟待解决。相信在不久的将来，3D打印建筑技术会迎来井喷式的发展。