□文/李志國(guó) 陳 穎 簡(jiǎn)凡捷

國(guó)內(nèi)外迅速崛起3D打印建筑是基于計(jì)算機(jī)控制的3D打印設(shè)備，通過打印疊層材料技術(shù)建造起來的建筑物。

目前研究的3D打印建筑的設(shè)備主要是由一個(gè)龍門架完成X方向行走，懸掛于龍門架上的打印頭在一定區(qū)域內(nèi)完成X、Y、Z方向打印，打印頭上方的懸掛桿完成大尺度Z方向運(yùn)動(dòng)的三維結(jié)構(gòu)，來為房屋創(chuàng)建基礎(chǔ)和墻壁，直接制造出建筑物。

美國(guó)宇航局和美國(guó)軍方支持并資助了美國(guó)南加州大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程教授比洛克·霍什內(nèi)維斯的項(xiàng)目。荷蘭宇宙建筑公司的Janj aap Rui j ssenaars，2013年1月表示他們計(jì)劃在2014年內(nèi)用3D打印技術(shù)建造一棟名為“Landscape House”的建筑。2014年3月上海盈創(chuàng)新材料公司已經(jīng)在中國(guó)上海張江高新青浦園區(qū)在24 h內(nèi)完成了10棟3D打印建筑。

1 基本概念

1.1 3D打印

3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期，實(shí)際上是利用光固化和紙層疊等方式實(shí)現(xiàn)快速成型的技術(shù)[1]。它與普通打印機(jī)工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有粉末狀樹脂、金屬或塑料類其他復(fù)合型的可粘合材料，與電腦連接后，通過一層又一層的多層打印方式，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。

1.2 3D快速成型

日用產(chǎn)品如鍋碗瓢勺的模具，工業(yè)產(chǎn)品如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等復(fù)雜模型、大型發(fā)電機(jī)葉片或航空航天等零部件模具等，都可以采用計(jì)算機(jī)控制的3D打印技術(shù)來快速成型。這樣3D打印就可在CAD設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的直接打印產(chǎn)品，真實(shí)的創(chuàng)建從圖紙電子文件到實(shí)物快速生成的連接平臺(tái)，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造一體化，使得這一技術(shù)如今可在機(jī)械制造、模具成型、建筑模型及實(shí)體建筑制作、汽車等復(fù)雜零件加工等許多高科技領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

1.3 3D打印建筑

3D打印建筑的機(jī)械原理是靠龍門架行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)X軸方向的運(yùn)動(dòng)；靠橫梁實(shí)現(xiàn)Y方向的運(yùn)動(dòng)；靠打印頭上部的打印桿實(shí)現(xiàn)Z方向的運(yùn)動(dòng)?？看蛴☆^自身的伸縮和轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)打印噴頭的局部運(yùn)動(dòng)，從而通過打印出建筑物的“平面層”的不斷堆積，生成不同的建筑結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 3D打印機(jī)構(gòu)動(dòng)作原理

美國(guó)南加州大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程教授比洛克·霍什內(nèi)維斯一直在研究一種新工藝。這種新工藝使打印技術(shù)在不到20 h的時(shí)間內(nèi)建造一幢面積232.3 m2的建筑。該項(xiàng)目獲得美國(guó)宇航局和美國(guó)軍方的支持和資助?；羰矁?nèi)維斯相信他的項(xiàng)目可以為全世界大約10億急需改善住房條件的人提供足夠住房。他把該工藝稱為“輪廊工藝”并且很希望在將來某天看到成為現(xiàn)實(shí)。

1.4 3D打印材料

目前3D打印建筑所采用的材料還不成熟。我國(guó)上海采用的是建筑物廢棄材料，將其粉碎磨細(xì)，加水泥、纖維、有機(jī)粘合劑等，制成牙膏狀的“油墨”，進(jìn)行打印。荷蘭的專家采用了樹脂及塑料類的材料；美國(guó)人采用了樹脂砂漿類、粘土類、混凝土類材料進(jìn)行3D打印建筑試驗(yàn)。

1.5 材料層疊粘和結(jié)構(gòu)

目前的3D打印建筑的技術(shù)原理是通過打印“噴頭”分層吐出膏體狀的打印材料，打印材料按墻體尺寸形狀被層疊而形成類似膠合木的從L1～L5的層疊粘和結(jié)構(gòu)。這種層疊結(jié)構(gòu)單層厚度約20～30mm，豎直墻面層與層間的凸凹約15～20mm。從墻面建筑裝飾效果看類似毛坯房，見圖2和圖3。目前單層打印材料物理力學(xué)性能和粘接層對(duì)墻體整體性的影響，還待深入研究。

圖2 3D打印的層疊結(jié)構(gòu)

圖3 3D打印建筑的單層厚度及墻面凸凹

2 相關(guān)問題

2.1 從創(chuàng)新概念到經(jīng)濟(jì)適用

目前3D打印建筑毫無疑義是一個(gè)創(chuàng)新概念。它集成了計(jì)算機(jī)、三維掃描、三維打印、快速成型等新技術(shù)新觀念；它代表了快速、高效、自動(dòng)化、機(jī)械化的新建筑模式；極大程度上實(shí)現(xiàn)了節(jié)約、綠色、低勞動(dòng)強(qiáng)度、文明施工的現(xiàn)代生產(chǎn)方式，是傳統(tǒng)建筑技術(shù)、傳統(tǒng)建筑模式的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

目前的3D打印建筑概念清楚，它可以從圖紙，直接打印成建筑。簡(jiǎn)單的建筑目前就可以通過直接打印或水平打印-垂直安裝得到完成。

可是目前的所有試驗(yàn)建筑，沒有對(duì)材料的組成、結(jié)構(gòu)、性能、造價(jià)，尤其是耐久性、抗震性能等進(jìn)行細(xì)致的研究，故3D打印建筑從一個(gè)創(chuàng)新概念，到能大規(guī)模經(jīng)濟(jì)適用的推廣，仍有漫長(zhǎng)的路要走。

2.2 打印材料的性能

1）強(qiáng)度。打印材料的強(qiáng)度高低，決定了其可以在何種高度的建筑中使用。目前各國(guó)試驗(yàn)的3D打印建筑多為1～2層。這樣建筑的材料抗壓強(qiáng)度可在1.5～3.5 MPa就能使建筑物矗立，即可達(dá)到臨時(shí)應(yīng)用或展覽的目的。

在日本、美國(guó)，1～2層建筑就能滿足住宅建設(shè)需要，而在其他國(guó)家和地區(qū)，多層、小高層、高層以及超高層建筑量大面廣，需求巨大。但要使打印材料能滿足多層甚至小高層建筑在7度地震烈度地區(qū)的安全要求，則適于3D打印建筑的材料最低抗壓強(qiáng)度要達(dá)到20.0 MPa，要滿足高層、超高層建筑相同地震烈度地區(qū)的安全要求，抗壓強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到35.0 MPa以上。

2）保溫節(jié)能。我國(guó)推廣實(shí)行建筑節(jié)能政策。采用加氣混凝土、多層復(fù)合墻體能滿足三步、四步節(jié)能的保溫隔熱要求。目前國(guó)內(nèi)外的3D打印技術(shù)材料中，有保溫節(jié)能型和非保溫節(jié)能型打印材料，前者采用樹脂型材料打印墻體蜂窩結(jié)構(gòu)，達(dá)到保溫隔熱的節(jié)能目的；后者也有采用其他材料打印空腔墻體，再向空腔填加泡沫材料或再次澆筑發(fā)泡材料，達(dá)到保溫隔熱的節(jié)能目的。

從產(chǎn)業(yè)化的方向性看，一次打印成型的3D打印材料可能是多種材料與多種功能的復(fù)合。開發(fā)多種打印材料、多噴頭同時(shí)打印、一噴頭多種材料同時(shí)或交替打印，實(shí)現(xiàn)多噴頭多材料打印技術(shù)，不僅可以滿足保溫復(fù)合墻體的節(jié)能構(gòu)造要求，而且可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、保溫、裝飾等多功能打印。

由于建筑節(jié)能是我國(guó)的基本國(guó)策，故在3D打印建筑總體研究與開發(fā)過程中，應(yīng)嘗試不同的保溫節(jié)能方案。

3）抗震。建筑結(jié)構(gòu)抗震問題一直是眾所矚目的建筑科技難題。采用3D打印成型的建筑，其材料和結(jié)構(gòu)的均勻性好，可以按仿生學(xué)原理優(yōu)化建筑空間、優(yōu)化結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

但如何使打印材料從均勻的油墨形態(tài)，提升為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或玻璃鋼結(jié)構(gòu)，是3D打印建筑材料和打印技術(shù)的核心性研究課題。只有通過鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，才能較好地保證建筑物的抗震性能，所以，在打印時(shí)如何增加水平筋，增加鋼筋混凝土梁以及如何布置豎向鋼筋，最終打印成鋼筋混凝土梁、柱、樓板、樓梯等，是3D打印建筑、材料、工藝、設(shè)備不可逾越的難題。

纖維增強(qiáng)混凝土的思路，鋼筋混凝土的思路，預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件、輕鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)與3D打印復(fù)合的思路，均有深入研究的意義和價(jià)值。如何利用3D打印技術(shù)，形成框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、筒形結(jié)構(gòu)、筒殼板殼結(jié)構(gòu)、鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)等，都是提高3D打印建筑抗震性能應(yīng)該考慮的選項(xiàng)。

4）經(jīng)濟(jì)性。3D打印材料具有多樣性。作為具有實(shí)用性的建筑，其打印材料要在滿足技術(shù)性能的同時(shí)，還要滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。

從目前國(guó)內(nèi)外鋼筋混凝土造價(jià)的現(xiàn)狀看，采用樹脂的最佳經(jīng)濟(jì)模式是用其作為膠粘劑，起到調(diào)整打印材料粘聚性的目的或是使用其固化的功能，控制打印材料的固化速度。而打印的主要材料依然要以水泥、石灰、石膏、粘土、砂子、碎石為主。同時(shí)，應(yīng)該研究現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、輕鋼結(jié)構(gòu)等和3D打印材料和技術(shù)的結(jié)合，這樣才能降低綜合造價(jià)，達(dá)到工程可接受的經(jīng)濟(jì)性要求。各種材料價(jià)格見表1。

表1 打印材料的經(jīng)濟(jì)性

2.3 與鋼筋混凝土的相容性

1）成型比較鋼筋混凝土成型是基于屬性混凝土的澆筑概念，為保證混凝土的密實(shí)成型常采用振搗液化的原理，“筑”成“體”型構(gòu)件。而3D打印技術(shù)是基于油墨狀材料的印刷，靠材料自身的黏性，“疊”成“層”狀粘合構(gòu)件。這樣混凝土材料的成型一般需要模板，混凝土要在模板中進(jìn)行澆筑、振搗和成型，代混凝土硬化后再拆除模板，完成施工。而3D打印技術(shù)，無須模板，直接打印成型。相比較混凝土容易與鋼筋形成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而3D打印技術(shù)，如何與鋼筋復(fù)合，值得認(rèn)真探索。推薦的3D打印技術(shù)參數(shù)和材料性能見表2。

表2 打印材料技術(shù)參數(shù)及性能 mm

2）力學(xué)性能比較?；炷僚c鋼筋形成鋼筋混凝土后，不僅能承受自重載荷和設(shè)計(jì)使用載荷，而且能承受地震載荷等突發(fā)性動(dòng)載荷作用。無論鋼筋混凝土梁、板、柱等構(gòu)件，都能承受很高的外力作用，具有很高的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。

3）保溫結(jié)構(gòu)構(gòu)造的實(shí)現(xiàn)。目前的3D打印能很容易地形成空腔墻體結(jié)構(gòu)，這樣就使得其打印的墻體自身就有一定的保溫節(jié)能優(yōu)勢(shì)。若目前馬上推進(jìn)3D打印建筑工程，則完全可以在其空腔墻體的基礎(chǔ)上，采用常規(guī)的外墻薄抹灰保溫技術(shù)，在打印墻體時(shí)，就把泡沫保溫層分層加入，和打印噴頭噴出的膏狀材料一起膠結(jié)成保溫層+空腔墻體，這樣有可能在減少保溫泡沫層厚度的前提下，達(dá)到三步節(jié)能的要求。此外，這種墻體還會(huì)有良好的隔聲效果，見圖4-圖7。

圖4 3D打印的打印構(gòu)造

圖5 推薦的3D打印空腔+保溫層墻體構(gòu)造

圖6 3D打印墻體的安裝

圖7 3D打印墻體細(xì)部

4）多層及高層打印。目前的3D打印技術(shù)，只完成了一、二層低層建筑的施工應(yīng)用試驗(yàn)。而將來要讓3D打印進(jìn)入真正的施工領(lǐng)域，完成多層、高層乃至超高層建筑的施工，才能更廣泛的推廣這種現(xiàn)代技術(shù)。

實(shí)現(xiàn)多層、高層乃至超高層建筑的3D打印，最應(yīng)解決的2個(gè)基本問題就是打印機(jī)的爬升和混凝土的提升。相應(yīng)設(shè)備的設(shè)計(jì)和混凝土材料性能的多功能性，是實(shí)現(xiàn)多層、高層及超高層打印的技術(shù)基礎(chǔ)。

5）獨(dú)立打印+人工輔助施工。研究3D打印建筑的出發(fā)點(diǎn)，就是最大程度實(shí)現(xiàn)依靠3D打印機(jī)的獨(dú)立性施工模式。但作為一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)，根本上不應(yīng)完全排除人工輔助的合作施工模式，尤其在復(fù)雜的土木施工環(huán)境條件下，在3D打印施工技術(shù)開發(fā)之初期，不應(yīng)完全拒絕人機(jī)共做模式。比如預(yù)制構(gòu)件節(jié)點(diǎn)處的連接；局部加強(qiáng)部位鋼筋的擺放、固定和調(diào)整；輕鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)架、拴接等。采用必要的人機(jī)工作模式，可能會(huì)在3D打印初步，有效地解決打印機(jī)尚不能很好解決的建筑工地遇見的一些意想不到的問題。這樣，也有利于讓承包商快速接受3D打印建筑施工技術(shù)。

3 尚需進(jìn)行研究的幾個(gè)問題

3.1 打印材料的固化

打印材料的固化速度是打印建筑不可避免的一個(gè)問題。

打印材料的固化速度受溫度的影響。在春夏秋季，應(yīng)該能在14～28℃范圍內(nèi)，不進(jìn)行較大的配比調(diào)整就能正常固化。在5～14℃采用加速固化配比保證固化；在28～38℃采取延緩固化技術(shù)達(dá)到正常打印的工藝要求；而在負(fù)溫條件下，需要在保溫養(yǎng)護(hù)的條件下謹(jǐn)慎調(diào)整固化方案，滿足冬期施工的質(zhì)量要求。

固化時(shí)間根據(jù)打印速度和環(huán)境溫度確定，見表3。

表3 3D打印控制參數(shù)

打印速度和打印材料固化速度，決定打印建筑施工速度，也決定了打印的結(jié)構(gòu)形式、生產(chǎn)模式等。噴射混凝土由于摻入了速凝劑，使混凝土從加水到初凝可調(diào)控在5 min之內(nèi)，終凝可控制在15 min之內(nèi)。3D打印若不采用其他輔助措施，打印拱形窗口門洞，打印材料固化宜在1 min之內(nèi)；打印其他結(jié)構(gòu)如墻面后門窗洞口的豎向結(jié)構(gòu)部分，固化速度應(yīng)≯5 min；打印其他水平構(gòu)件固化時(shí)間不宜＞15 min。

3.2 打印材料的養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)要解決2個(gè)問題，其一保證強(qiáng)度增長(zhǎng)，其二避免開裂破壞。

3D打印材料根據(jù)特性，可分為非養(yǎng)護(hù)型和養(yǎng)護(hù)型材料。如用樹脂類材料通過光固化、化學(xué)反應(yīng)固化等，無須提供特殊的養(yǎng)護(hù)。而通過水泥類無機(jī)膠凝材料拌和的打印材料，應(yīng)該保證其環(huán)境的溫度和濕度，保證水泥類材料的正常水化、凝結(jié)和硬化。

3.3 打印材料的提升及泵送

3D打印材料要實(shí)現(xiàn)多層及高層建筑的建設(shè)需要還要解決打印設(shè)備的爬升、提升問題。同時(shí)亦要解決打印材料的提升問題。

單層或二層建筑的打印，僅通過龍門架的高度就可實(shí)現(xiàn)。要完成6～7層多層建筑，可考慮龍門架的爬升、腳手架懸掛、塔帶機(jī)式的送料與騎墻式行走等打印的模式。

可選擇干料提升、拌和料提升、塔帶機(jī)輸送、拌和物泵送等工藝。

這樣就要求混凝土的流動(dòng)性(坍落度)不能低于100mm，混凝土的凝結(jié)時(shí)間也應(yīng)達(dá)到30 min，甚至120 min。

3.4 打印與預(yù)制的組合

盡管本文在討論3D打印建筑，但為實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化，也有必要探討其與預(yù)制混凝土的結(jié)合，與常規(guī)的現(xiàn)澆混凝土的結(jié)合，甚至與電氣設(shè)備安裝的有機(jī)結(jié)合。

實(shí)際上現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料可以與3D打印材料與技術(shù)在組合和構(gòu)造上達(dá)到互補(bǔ)，在施工和性能上相互協(xié)調(diào)?，F(xiàn)澆或預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件可以形成框架結(jié)構(gòu)，3D打印可以形成填充墻體、剪力墻墻體、保溫節(jié)能墻體，甚至是裝修的地面、墻面、棚面；可以完成預(yù)制構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的打印“焊接”施工等?，F(xiàn)澆或預(yù)制構(gòu)件中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可以補(bǔ)償打印過程中配筋煩瑣，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，鋼筋混凝柱豎向鋼筋框架阻礙打印，混凝土梁鋼筋框架打印不密實(shí)而導(dǎo)致抗震能力不足等缺陷；3D打印可以解決預(yù)制框架結(jié)構(gòu)的冷橋，改善剪力墻結(jié)構(gòu)的外保溫隔熱性能，實(shí)現(xiàn)建筑物的抗震及三步、四步節(jié)能，亦可以通過3D打印技術(shù)，協(xié)同留置并安裝各種水電氣管線，實(shí)現(xiàn)電氣安裝、建筑裝修的一體化過程，見圖8。

圖8 3D打印與現(xiàn)澆及預(yù)制相結(jié)合

4 結(jié)語

4.1 創(chuàng)新的3D打印建筑概念

目前的3D打印建筑，雖然已經(jīng)打印出建筑模型或簡(jiǎn)單的建筑，但其材料和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗震安全性、材料耐久性都有待于試驗(yàn)和驗(yàn)證。尤其當(dāng)考慮建筑物的使用壽命時(shí)，其打印材料和傳統(tǒng)的鋼筋混凝土在結(jié)合的基礎(chǔ)上創(chuàng)新，應(yīng)該是一個(gè)值得探討的方向。

4.2 新型3D打印混凝土

研究認(rèn)為，目前的打印建筑單層疊合打印厚度為20～30mm。若產(chǎn)業(yè)化及經(jīng)濟(jì)性角度看，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用應(yīng)該注意研究單層疊合打印厚度為80～150mm的材料。建筑結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性，適于3D打印的混凝土材料的組成、配比、拌和技術(shù)以及與此相關(guān)的拌和設(shè)備、打印設(shè)備的開發(fā)研究，應(yīng)是未來3D打印建筑研發(fā)重點(diǎn)。

4.3 鋼筋混凝土的3D節(jié)點(diǎn)

目前我國(guó)各類規(guī)范規(guī)定，重要建筑的使用壽命要達(dá)到100 a，住宅應(yīng)具有50 a乃至70 a以上建筑使用壽命。按目前的建筑結(jié)構(gòu)的理論、材料及結(jié)構(gòu)性能和未來發(fā)展的需要，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，使用壽命達(dá)70 a乃至100 a仍為未來建筑結(jié)構(gòu)的主流。因而3D打印建筑結(jié)構(gòu)的方向之一，還是要發(fā)展鋼筋混凝土打印結(jié)構(gòu)來滿足其使用壽命的要求。這就要求目前的3D打印要加強(qiáng)“柱間打印”技術(shù)研究，以期實(shí)現(xiàn)框架柱預(yù)制或輕鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)建后，再經(jīng)3D打印形成建筑。同時(shí)也應(yīng)注意解決打印建筑的鋼筋混凝土“梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造”原理，剪力墻鋼筋鋪設(shè)與打印協(xié)調(diào)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)最終3D打印的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

[1]李福平，鄧春林，萬 晶.3D打印建筑技術(shù)與商品混凝土行業(yè)展望[J].混凝土世界，2013，（3）：28-29.