李志遠(yuǎn)，陳歡歡

（中建機(jī)械洛陽有限公司，河南 洛陽 471000）

隨著3D打印技術(shù)與混凝土技術(shù)的發(fā)展和融合，3D打印技術(shù)進(jìn)入建筑行業(yè)，國家在《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中要求積極開展建筑業(yè)3D打印設(shè)備及材料的研究，探索3D打印技術(shù)運用于建筑部品、構(gòu)件生產(chǎn)，開展示范應(yīng)用。雖然目前建筑3D打印技術(shù)能夠打印一些建筑構(gòu)件以及一些結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜的小型建筑，但在實際工程施工應(yīng)用階段，仍面臨許多問題，還處于起步探索階段。

本文從3D打印建筑技術(shù)的概念出發(fā)，主要對3D打印建筑技術(shù)所采用設(shè)備及打印材料進(jìn)行一些探討。

1 3D打印建筑技術(shù)

3D打印又叫增材制造，是采用材料逐漸累加的方法制造實體的技術(shù)。3D打印建筑技術(shù)是將3D打印技術(shù)應(yīng)用于混凝土施工的新技術(shù)，其主要工作原理是利用計算機(jī)將要打印的建筑進(jìn)行模型分割，并將三維圖形信息轉(zhuǎn)化成打印路徑及速度信息，然后由數(shù)控程序控制打印設(shè)備，使打印頭按照計算機(jī)預(yù)先處理好的路徑運動，打印頭擠出的打印材料逐層疊加，從而實現(xiàn)對建筑物的自動建造，通俗的說，3D打印建筑就是用大型機(jī)器人建造房子。打印設(shè)備和打印材料是實現(xiàn)3D打印的基礎(chǔ)。

2 3D打印建筑設(shè)備

打印設(shè)備是實現(xiàn)3D打印建造技術(shù)的工具，是3D打印建造的先決條件，打印頭的運動是X、Y、Z三個方向的運動，所以3D打印建筑設(shè)備主體通常包括架體、垂直升降架（Z向）、水平行走架（X向、Y向）、打印頭及各運動部分的驅(qū)動裝置等。一般來說，全尺寸打印的建筑越大，所需要的打印設(shè)備就越大，對打印頭運動的精度要求就越高，從而對打印設(shè)備的設(shè)計、制造、安裝的要求就越高，目前3D打印建筑設(shè)備常見的結(jié)構(gòu)型式有桁架式和龍門式。

2.1 桁架式3D打印建筑設(shè)備

桁架式3D打印建筑設(shè)備的組成部分主要有立柱框架、垂直升降架、打印橫梁、打印頭及其行走裝置等幾部分（圖1）。圖中的6根立柱頂部是用型鋼或桁架連接在一起的，形成整個設(shè)備運行的整體框架，垂直升降架通過抱箍驅(qū)動裝置沿著立柱上下垂直移動（Z向），打印橫梁在垂直升降架平面上水平移動（X向），打印頭沿著移動橫梁水平移動（Y向），3個方向的位移從而實現(xiàn)3D打印。

立柱一般是型鋼或者組焊式桁架，是整個設(shè)備框架的重要組成部分，也是垂直升降架升降的導(dǎo)柱，立柱的底部固定在地面上，頂部用型鋼或者桁架連接，保證打印框架的整體性和穩(wěn)定性；垂直升降架通過抱箍與立柱配合，抱箍內(nèi)部設(shè)置有導(dǎo)向滾輪，抱箍上設(shè)置有齒輪齒條電機(jī)或其他驅(qū)動裝置，控制升降框架的上升和下降。為保證打印頭運動的穩(wěn)定性，打印橫梁通常設(shè)計為組合式雙梁結(jié)構(gòu)，打印橫梁X向和打印頭Y向水平行走通常用齒輪齒條電機(jī)驅(qū)動裝置。為保證升降框架提升后的平面度，需精確控制每個提升點（抱箍）處提升的距離，所以垂直升降架的升降通常采用伺服電機(jī)控制，并需保證多個伺服電機(jī)的同步性，為了減輕提升重量，垂直升降架通常為鋁合金桁架結(jié)構(gòu)。

桁架式3D打印建筑設(shè)備的優(yōu)點是由立柱及頂部支撐形成的整體框架穩(wěn)定性強(qiáng)，可以有效承受打印頭以較快速度打印直角、轉(zhuǎn)彎或停止時產(chǎn)生的側(cè)向沖擊載荷，保證打印精度，此外這種結(jié)構(gòu)型式適宜模塊化設(shè)計，便于制造和安裝，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，適合開發(fā)用于施工現(xiàn)場的大型3D打印設(shè)備。

圖1 桁架式3D打印建筑設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 龍門式3D打印建筑設(shè)備

龍門式3D打印建筑設(shè)備架體結(jié)構(gòu)類似龍門式起重機(jī)，其主要組成部分有軌道、架體及其行走機(jī)構(gòu)、導(dǎo)柱、垂直升降架、打印頭及其行走裝置等幾部分(圖2)。垂直升降架通過抱箍驅(qū)動裝置沿導(dǎo)柱上下垂直升降（Z向），架體沿軌道水平移動（X向），打印頭沿垂直升降架水平移動（Y向），3個方向的位移從而實現(xiàn)3D打印。

圖2 龍門式3D打印建筑設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖2

龍門式3D打印建筑設(shè)備的結(jié)構(gòu)與桁架式最大的不同就是用架體沿地面軌道的移動（X向）替代了桁架式結(jié)構(gòu)中打印橫梁的水平移動（X向）。為了保證整個架體的穩(wěn)定性，龍門式3D打印建筑設(shè)備架體的兩側(cè)通常采用八字形桁架結(jié)構(gòu)；為保證打印頭沿垂直升降架水平移動的穩(wěn)定性，垂直升降架一般采用雙梁組合結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的與之相配合導(dǎo)柱也是雙導(dǎo)柱，垂直升降架與導(dǎo)柱之間通過抱箍配合，提升時要考慮各提升點（抱箍）的同步性，以保證垂直升降架提升后的平面度。

龍門式3D打印建筑設(shè)備的優(yōu)點是可以在水平方向（X向）做較大距離的擴(kuò)展，只需要延長軌道就可以，其垂直升降架的提升點較少，易于控制各提升點的同步性及提升后垂直升降架的平面度，但其在打印過程中，X向打印需整個整個架體進(jìn)行移動，所以限制了架體向大型化發(fā)展，比較適合打印小型低層建筑或者在工廠內(nèi)打印建筑構(gòu)件。

2.3 3D打印建筑設(shè)備設(shè)計制造關(guān)鍵點

3D打印建筑設(shè)備在設(shè)計制造時，首先應(yīng)考慮整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因為在打印過程中，打印頭內(nèi)儲滿了打印材料，連同其行走裝置等附屬機(jī)構(gòu)，運動部分的重量會比較大，慣性強(qiáng)，在打印直角、轉(zhuǎn)彎或停止時會產(chǎn)生很大的側(cè)向沖擊；其次，要嚴(yán)格控制架體的制作、安裝精度，特別是導(dǎo)柱的垂直度，因為3D打印的建造方式是逐層疊加，所以需保證垂直升降架的提升時的垂直度，否則將造成上下兩層的錯位，影響所打印建筑或構(gòu)件的外形精度；再次，需保證打印頭行走梁的撓度在一定范圍內(nèi)，因為在現(xiàn)有技術(shù)條件下，打印頭打印的每一層材料厚度不能太大，目前常見的每層打印厚度是20mm。

2.4 3D打印建筑設(shè)備的發(fā)展及應(yīng)用趨勢

3D打印建筑設(shè)備的打印范圍直接影響到可打印建筑的外形尺寸，目前常見的3D打印建筑設(shè)備主要用于打印建筑構(gòu)件及一些結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜的小型建筑，為適應(yīng)在施工現(xiàn)場打印足尺建筑的需要，模塊化設(shè)計和組裝、便于擴(kuò)展和拆卸的大型建筑3D打印設(shè)備具有很大的需求和發(fā)展空間。在應(yīng)用方面，3D打印的建造方式在建造形狀復(fù)雜的特殊造型建筑方面具有獨特的優(yōu)勢，不僅建造速度快，而且節(jié)約材料，建造質(zhì)量高，發(fā)展前景非常廣闊。

3 3D打印混凝土

混凝土這一在傳統(tǒng)建筑行業(yè)中發(fā)揮重要作用的建筑材料，在3D打印建筑中同樣具有舉足輕重的作用，3D打印建筑采用的混凝土叫打印混凝土，主要要求有良好的施工性能和力學(xué)性能。

3.1 打印混凝土必須具有良好的施工性能

打印混凝土要求有適宜的流動度，因為打印混凝土要通過輸送管道，經(jīng)打印頭擠出才能打印成型，若流動度過大，則打印過程中打印材料無法堆積，打印無法繼續(xù)，若流動度太小，則容易造成輸送管道或者打印頭堵塞，并且使打印設(shè)備的清洗非常困難；此外，打印混凝土需要有較快的初凝時間，并具有足夠的初凝強(qiáng)度，因為3D打印建筑技術(shù)是增材制造，打印過程是逐層疊加，所以如果下層材料不能較快的凝結(jié)，上層打印過程就沒法繼續(xù)，另外，如果下層材料初凝時沒有足夠的強(qiáng)度，則因為重力作用，上層材料的堆積就會使打印的墻體發(fā)生變形或者歪斜。實驗表明，選擇合適的促凝劑和緩凝劑，控制其比例組成，可實現(xiàn)在不同地區(qū)和環(huán)境溫度下靈活控制打印混凝土的凝結(jié)時間和硬化速度。

3.2 打印混凝土必須具有良好的力學(xué)性能

眾所周知，混凝土的特性是抗壓，不抗拉，即單一的混凝土材料抗拉性能非常差，傳統(tǒng)建造方式的解決辦法是和鋼筋一起使用，混凝土材料受壓，鋼筋受拉，混凝土和鋼筋形成一個整體協(xié)同工作。目前的3D打印建筑只能采用單一的打印材料打印混凝土，對于梁板等受彎構(gòu)件，一旦所受的拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度值，極易出現(xiàn)裂縫，對建筑結(jié)構(gòu)來說，裂縫產(chǎn)生后，就會出現(xiàn)不可逆的破壞直至完全破壞，所以打印材料本身應(yīng)具有良好的抗裂能力和韌性，防止由于干縮和徐變引起的裂縫，并防止構(gòu)件發(fā)生脆性破壞。同時，打印混凝土的強(qiáng)度也制約著3D打印建筑技術(shù)的發(fā)展，目前，3D打印建筑還僅局限于中低層，無法滿足中高層建筑的需要，實際應(yīng)用中，可通過在打印混凝土中摻加玻璃纖維或者碳纖維等增強(qiáng)其抗壓、抗彎強(qiáng)度，但應(yīng)嚴(yán)格控制摻加比例。

4 結(jié) 語

隨著社會發(fā)展，人們對于綠色環(huán)保的要求將越來越高，并且隨著我國人口老齡化問題的到來，提升建造機(jī)械化水平、提升施工效率、減少勞動用工、實現(xiàn)綠色、智能建造具有十分重要的意義。3D打印建筑技術(shù)節(jié)材環(huán)保、免模板、低人工、高機(jī)械化的特點，可以促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)由傳統(tǒng)作業(yè)方式向綠色、智能建造方式轉(zhuǎn)型，著力解決3D打印建筑技術(shù)的設(shè)備和材料問題，再輔以合理的建造工藝，3D打印建筑技術(shù)一定能在國家建筑工業(yè)化的浪潮中發(fā)揮巨大作用。