【解析】3D建筑打印技術研究綜述

在建筑行業(yè)，3D打印技術順應產業(yè)革命的發(fā)展，將使大規(guī)模的個性化生產成為可能，逐步實現(xiàn)快速建造和產業(yè)化生產，并會創(chuàng)造出大量的傳統(tǒng)工藝無法生產的新型材料，這將會帶來全球制造業(yè)經(jīng)濟的重大變革。 盡管過去20年里已經(jīng)開發(fā)了一些快速成型的方法，且在很多領域已經(jīng)有了基于這類方法的成功應用實踐（包括工業(yè)加工、醫(yī)療、玩具制造等），這些擴展應用的成果為3D建筑打印技術提供了良好的研究基礎，但國內外目前研究3D建筑打印的專家學者并不多，大多數(shù)分層制造方法受限于可用建筑材料的匱乏。

1 3D建筑打印的相關概念
3D建筑打印是利用工業(yè)機器人逐層重復鋪設材料層構建自由形式的建筑結構的新興技術，這種工藝原理叫做增材制造，通過逐層累積最終形成一個成品。其構成和傳統(tǒng)打印機基本一樣，都是由控制組件、機械組件、打印頭、耗材和介質等架構組成的。根據(jù)電腦上設計的完整的三維模型數(shù)據(jù)，通過一個運行程序將材料分層打印輸出并逐層疊加，最終將計算機上的三維模型變?yōu)榻ㄖ�實物。一個房子或者一群房子，即使每幢建筑形態(tài)各異，都可以通過一個運行程序來自動構建。

與傳統(tǒng)施工工藝相比，3D建筑打印技術的優(yōu)勢主要有：
①施工速度至少要快10倍，且建筑類型、復雜性等因素不會增加建設成本；
②由于全程由電腦程序操控，直接基于CAD設計等的施工建造只產生5~10mm的誤差，該技術允許的精度和設計自由性在過去聞所未聞，建筑師和工人間的問題將不再阻礙建筑師所要表達的設計想法；
③不需要模板，定制型強，可塑性好，可打印出任何細節(jié)特點與復雜曲面、管道等；
④可以使消費者根據(jù)自己的需求量身定制產品；
⑤無需人工干預意味著建筑行業(yè)傷亡事故風險的大幅減少，大量節(jié)省人員勞工，且用于建筑施工的安全措施費降低；
⑥可以就地取材，極大節(jié)省建造的運輸成本；
⑦由于是整體結構成形，建筑抗震性能大大增強；
⑧可以適應惡劣環(huán)境，如在高原、雪山、沙漠、海洋、甚至地外星球等人為施工條件極其惡劣的環(huán)境下進行施工建造；
⑨可以運用于 古文物保護中，精準恢復古建筑的殘損、遺失部分；
⑩可以降低建筑粉塵污染，減少霧霾，保護環(huán)境實現(xiàn)綠色環(huán)保。

2 3D建筑打印工藝研究現(xiàn)狀分析
2.1 國外研究現(xiàn)狀

（1）D-Shape打印工藝及應用
2010年，意大利籍Enrico Dini教授發(fā)明了世界上第一臺以細骨料和膠凝料為打印材料的數(shù)字打印機，名為D-Shape，可以用建筑材料打印出高4m的建筑物。這臺打印機的底部有數(shù)百個噴嘴，可噴射出鎂質黏合物，在黏合物上噴撒沙子可逐漸鑄成人造砂巖，通過一層層的黏合物和沙子結合，將沙子粘成像巖石一樣堅固的固體，并形成特定的形狀，最終形成石質建筑物（圖1~4）。

D-Shape打印機沿著龍門架支撐的軸梁在x、y軸上往返移動，打印機噴頭每打印一層時僅形成5～10mm的厚度。打印機操作可由電腦CAD-CAM軟件操控，建造完畢后建筑體的質地類似于大理石，比混凝土的強度更高，并且不需要內置鋼筋進行加固。 目前，這種打印機已成功地建造出內曲線、分割體、導管和中空柱等建筑結構。由此不難看出，普通的水泥混凝土可能已經(jīng)不能適應建筑3D打印技術的需要，混凝土組成材料和攪拌方式均需改變，以適應3D建筑打印技術的需要。

恩里科・迪尼表示，這種打印機比常規(guī)建筑方法要快得多，而且所使用的原料也只有原來的1/3到1/2，更重要的是幾乎不會產生任何廢棄物。Enrico Dini稱，他已經(jīng)在和建筑大師諾曼・福斯特、阿爾塔空間公司等進行討論，希望能設計出一種可以 使用月球土壤的打印機，屆時在月球上就可以使用這種打印機快速地建造出人類的月球基地。

D-Shape打印機已經(jīng)參與了多項3D打印房屋項目，其中包括正在爭奪“世界上第一幢3D打印的住房”名頭的“Landscape House”模擬莫比烏斯環(huán)（圖5）。2013年1月，該項目由荷蘭阿姆斯特丹建筑大學的建筑設計師JanjaapRuijssenaars設計，該工程預計在2014年完成，并且將參加Europan競賽。

這里“D-Shape”打印機先用沙和無機粘合物對建筑框架進行逐塊打印，每一塊的尺寸都達到了6m×9m， 然后組裝到一起，再用纖維增強的水泥材料對框架進行填充，最終完成一幢兩層房屋的建造。JanjaapRuijssenaars嘗試了混凝土打印復雜曲線形體，并且嘗試了傳統(tǒng)技術和新的3D打印技術相結合，例如端墻為玻璃和鋼結構，且地板、側墻和天花板組成箱體結構讓這個結構變得更堅固。

（2）建筑輪廓工藝及應用
南加州大學的BehrokhKhoshnevis教授的建筑輪廓打印方法是一種基于混凝土的自動化施工方法。2004年，該項技術就已經(jīng)能夠“打印”出5英尺（約合1.52m）長、3英尺（約合0.91m）高、6英寸（0.15m）厚的建筑部件。2012年，BehrokhKhoshnevis教授表示輪廓工藝打印出來的墻是空心的，其間布置桁架狀構造（圖6），這樣不但大大減輕了建筑本身的重量，而且還可讓空隙處填充保溫材料，讓其成為整體的自保溫墻體。同時預留“梁”與“柱”澆筑的空間，并處理各種基礎設施管道和電氣布置。

圖5 Landscape House

目前，該工藝可以做到24小時內打印出大約232m2的兩層樓房。輪廓設計（CC）是一種計算機自動施工方法，它能提供快速生產，顯著減少浪費，大量地節(jié)省成本。要在月球上 長時間停留，需要足夠的輻射防護措施，這取決于能否在月球上建造結構，最好是能利用月球的資源并且在人類登陸之前完成。為此他提出一種月球輪廓工藝系統(tǒng)的概念設計，可以利用基于月壤的高強混凝土（包括玻璃增強桿或從表層土中提取的纖維）在月球表面自動完成整體結構建造。

圖6 輪廓工藝打印出的墻體

輪廓工藝有兩種打印方法：
一種方法是用一個大型龍門機器人完成每一層的打印任務，然后把各層疊加起來構建整個房子（圖7~8），但這種方法需要大量的預備場地和一個大型超級機器人。
另一種方法是同時使用多個移動機器人進行協(xié)調運作。采用移動機器人方案有幾個優(yōu)點，包括便于運輸和安裝、并行施工和可擴展設備數(shù)量。
墻體結構可采取多種空腔墻體形式，適應于打印機器人的快速運作，創(chuàng)造出完全不同于傳統(tǒng)墻體形式的新的節(jié)能、 高強的墻型材，并節(jié)省更多的材料。 相比于傳統(tǒng)的建造方式，輪廓工藝可以節(jié)省相當多的時間和成本。

圖7 輪廓工藝大型龍門機器人施工方案

建造成本取決于機器所消耗的時間和能源�？偣こ塘靠梢酝ㄟ^已知的打印路徑來計算，先把建筑分割成若干層，然后再把每一層轉換為一個由邊線和頂點組成的模塊。打印的軌跡優(yōu)化配合程序優(yōu)化，路徑優(yōu)化和打印機速度的提升在降低打印時間上很有潛力。針對不同環(huán)境和受力要求的墻體，采取有針對性的、不同的墻體形式可以節(jié)省更多時間，將打印機擠壓噴頭設置多元化可以提高效率，優(yōu)化建造模式。

圖8 輪廓工藝移動機器人施工方案

（3）尼龍纖維激光燒結工藝及應用
在英國，Softkill Design正著手使用3D打印技術建造大批量民用住房。這些房屋以骨骼架構為原型，以纖維尼龍為結構制作所有的部件需要三個星期，組裝起來則只需要一天。這種3D打印房屋概念將是房屋建造的革命性改變，甚至能夠最終 解決英國住房危機。2012年，倫敦設計工作室Softkill Design 的設計師們運用3D打印機打印出了一個1：33比例的房子模型 ProtoHouse1.0（圖9），它并非采用實墻建造模型，而是采用纖維材料打印而成，外形似如洞穴。

圖9 ProtoHouse1（1：33模型）

ProtoHouse1.0共分30節(jié)段打印，各房屋組件是場外制造的，在3D打印機實驗室使用激光燒結生物塑料，并添加金屬等較堅固的物質制成。打印好之后運送至建筑基地拼裝，用尼龍搭扣或者像鈕扣一樣的扣合件進行固定。這種方式比現(xiàn)場采用沙子和混凝土3D打印制造的效果更好。截至2013年3D打印制造的纖維結構只有0.7mm厚。而下一步，在前者的研究和開發(fā)的基礎上，將打印出一幢4m×8m的單層建筑ProtoHouse2.0。建造3D打印房屋的成本并未公布，但雷特辛表示，伴隨著3D打印行業(yè)的快速發(fā)展，將逐步降低制造成本，這意味著不久的將來，建造經(jīng)濟型3D打印房屋將成為現(xiàn)實。

（4）粉末壓實與蒸汽固化工藝
恩斯赫德（荷蘭東部城市）的學者A. Budding在粉末壓實的快速成型技術方面進行了一些研究。在這類特殊設備上的研究，馬里博爾大學的DanijelRebolj提出一種新的建筑技術概念，可以在納米級的層次進行施工追蹤。美國華盛頓大學的Ben Utela等在建筑3D打印的工藝方面提出了5個步驟：材料配合、粘結劑選擇、粘結配方和測試、打印流程規(guī)范、后期處理等。泰國國家金屬和材料技術中心的R. Chumnanklang等研究低成本的水溶性天然高分子粘結劑、羥磷灰石顆粒噴霧干燥技術在3D打印中的應用。

紐約倫斯勒理工學院機械工程系的Joseph  Pegna研究了新的加法制造的3D打印對于建筑施工自動化的效果，研究蒸汽固化工藝，評估了這種大型建筑結構的固體成型技術的前景。麻省理工學院的史蒂文・基廷等提出了使用機器人技術用復合材料制造和復制的3D打印。英國的拉夫堡大學土木與建筑工程學院的T.T. Le 等研究了用3D打印技術通過9mm直徑噴嘴打印逐層累積的結構構件。這不同于傳統(tǒng)的施工，密實分層過程中的混凝土達到很高的拉壓強度。

2.2 國內研究現(xiàn)狀
2014年4月，10幢3D打印建筑在上海張江高新青浦園區(qū)內展出。這些建筑依據(jù)電腦設計方案的圖紙，經(jīng)一臺大型的3D打印機層層疊加噴繪而成，整個建筑過程僅花費24小時，且其墻體材料用的是處理后的建筑垃圾。研發(fā)者馬義和表示，其3D打印核心是油墨、噴嘴和材料供應系統(tǒng)。其打印材料的核心技術是以高標號水泥與玻璃纖維為主，依靠自主研發(fā)的打印機設備連續(xù)線性擠出打印而成，比傳統(tǒng)鋼混建筑強度更高。  馬義和的團隊還研發(fā)了一種新型生態(tài)石材SRC（特種玻璃纖維增強復合水泥），接著又在FRP（纖維增強復合塑料）有所突破。正是這些技術為其3D打印打下良好基礎。值得一提的是，這些3D打印建筑原材料通過就地取材，回收附近建筑垃圾、工業(yè)垃圾和尾礦，通過技術處理、加工、分離，實現(xiàn)建筑垃圾再利用。

圖10 上海張江高新青浦園區(qū)內展出的3D 打印房屋構架

3D打印技術的發(fā)展將使大規(guī)模的個性化生產成為可能，并會創(chuàng)造出大量的傳統(tǒng)工藝無法生產的新型材料，這將會帶來全球制造業(yè)經(jīng)濟的重大變革。盡管過去20年里已經(jīng)開發(fā)了一些快速成型的方法，而且在很多領域已經(jīng)有了基于這類方法的成功應用實踐，目前大多數(shù)分層制造方法受限于可用建筑材料的匱乏。此外，它們還嚴重受制于材料的低沉積率，這使得這些方法只能適合小的工業(yè)零部件。因此，目前3D建筑輪廓打印可以說是唯一適用于建設大型復雜建筑的新的建造方法。

綜上所述，雖然國內外學者對3D打印材料有了一定的探索并基于材料特性摸索了相應的打印模式，但是在適應多元材料的打印設備系統(tǒng)和工藝流程系統(tǒng)的研究上顯得較弱，都是各成一家，缺少交流和融合。如Enrico Dini對細沙和鎂基膠的運用，是基于膠凝材料和細骨料混合硬化的的快速成型原理，也因此探索出能夠打印復雜形體的D-Shape打印設備。BehrokhKhoshnevis在混凝土配方材料的快速成型打印技術上研究較多，并探索了多種適合混凝土打印機的屋蓋形狀。其他基于塑料或纖維材料而產生的打印工藝又各不相同，不同材料衍生的不同工藝直接的配合與融合的過程還有待研究。 其次，國內外學者研究建筑3D打印已經(jīng)進入較快的發(fā)展階段，研究的初步成果較多，但是缺乏系統(tǒng)、完善的方法體系�，F(xiàn)在全世界采用3D打印技術已完成實際建設的項目更是少之又少。

D-Shape打印機和輪廓打印機技術的研究為我們提供了一個很好的參考方法，在這個基礎上，若將3D打印原理和建筑結構及材料的關鍵技術問題結合起來，發(fā)展新的低成本的3D打印方法體系，不但對于解決全球住房危機和節(jié)約能源、環(huán)保等問題從而促進社會和諧發(fā)展顯得迫切而意義深遠，也會對未來建筑業(yè)的發(fā)展產生重大的影響。

編輯：南極熊
作者：宋靖華（武漢大學城市設計學院）  胡欣（武漢大學城市設計學院）
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