【解析】3D建筑打印技術(shù)研究綜述

在建筑行業(yè)，3D打印技術(shù)順應(yīng)產(chǎn)業(yè)革命的發(fā)展，將使大規(guī)模的個(gè)性化生產(chǎn)成為可能，逐步實(shí)現(xiàn)快速建造和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并會(huì)創(chuàng)造出大量的傳統(tǒng)工藝無(wú)法生產(chǎn)的新型材料，這將會(huì)帶來(lái)全球制造業(yè)經(jīng)濟(jì)的重大變革。 盡管過(guò)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(lǐng)域已經(jīng)有了基于這類方法的成功應(yīng)用實(shí)踐（包括工業(yè)加工、醫(yī)療、玩具制造等），這些擴(kuò)展應(yīng)用的成果為3D建筑打印技術(shù)提供了良好的研究基礎(chǔ)，但國(guó)內(nèi)外目前研究3D建筑打印的專家學(xué)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(guān)概念
3D建筑打印是利用工業(yè)機(jī)器人逐層重復(fù)鋪設(shè)材料層構(gòu)建自由形式的建筑結(jié)構(gòu)的新興技術(shù)，這種工藝原理叫做增材制造，通過(guò)逐層累積最終形成一個(gè)成品。其構(gòu)成和傳統(tǒng)打印機(jī)基本一樣，都是由控制組件、機(jī)械組件、打印頭、耗材和介質(zhì)等架構(gòu)組成的。根據(jù)電腦上設(shè)計(jì)的完整的三維模型數(shù)據(jù)，通過(guò)一個(gè)運(yùn)行程序?qū)⒉牧戏謱哟蛴≥敵霾⒅饘盈B加，最終將計(jì)算機(jī)上的三維模型變?yōu)榻ㄖ��?shí)物。一個(gè)房子或者一群房子，即使每幢建筑形態(tài)各異，都可以通過(guò)一個(gè)運(yùn)行程序來(lái)自動(dòng)構(gòu)建。

與傳統(tǒng)施工工藝相比，3D建筑打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要有：
①施工速度至少要快10倍，且建筑類型、復(fù)雜性等因素不會(huì)增加建設(shè)成本；
②由于全程由電腦程序操控，直接基于CAD設(shè)計(jì)等的施工建造只產(chǎn)生5~10mm的誤差，該技術(shù)允許的精度和設(shè)計(jì)自由性在過(guò)去聞所未聞，建筑師和工人間的問(wèn)題將不再阻礙建筑師所要表達(dá)的設(shè)計(jì)想法；
③不需要模板，定制型強(qiáng)，可塑性好，可打印出任何細(xì)節(jié)特點(diǎn)與復(fù)雜曲面、管道等；
④可以使消費(fèi)者根據(jù)自己的需求量身定制產(chǎn)品；
⑤無(wú)需人工干預(yù)意味著建筑行業(yè)傷亡事故風(fēng)險(xiǎn)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(fèi)降低；
⑥可以就地取材，極大節(jié)省建造的運(yùn)輸成本；
⑦由于是整體結(jié)構(gòu)成形，建筑抗震性能大大增強(qiáng)；
⑧可以適應(yīng)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(jìn)行施工建造；
⑨可以運(yùn)用于 古文物保護(hù)中，精準(zhǔn)恢復(fù)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(hù)環(huán)境實(shí)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(guó)外研究現(xiàn)狀

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

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

恩里科・迪尼表示，這種打印機(jī)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(lái)的1/3到1/2，更重要的是幾乎不會(huì)產(chǎn)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(jìn)行討論，希望能設(shè)計(jì)出一種可以 使用月球土壤的打印機(jī)，屆時(shí)在月球上就可以使用這種打印機(jī)快速地建造出人類的月球基地。

D-Shape打印機(jī)已經(jīng)參與了多項(xiàng)3D打印房屋項(xiàng)目，其中包括正在爭(zhēng)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(xiàng)目由荷蘭阿姆斯特丹建筑大學(xué)的建筑設(shè)計(jì)師JanjaapRuijssenaars設(shè)計(jì)，該工程預(yù)計(jì)在2014年完成，并且將參加Europan競(jìng)賽。

這里“D-Shape”打印機(jī)先用沙和無(wú)機(jī)粘合物對(duì)建筑框架進(jìn)行逐塊打印，每一塊的尺寸都達(dá)到了6m×9m， 然后組裝到一起，再用纖維增強(qiáng)的水泥材料對(duì)框架進(jìn)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(fù)雜曲線形體，并且嘗試了傳統(tǒng)技術(shù)和新的3D打印技術(shù)相結(jié)合，例如端墻為玻璃和鋼結(jié)構(gòu)，且地板、側(cè)墻和天花板組成箱體結(jié)構(gòu)讓這個(gè)結(jié)構(gòu)變得更堅(jiān)固。

（2）建筑輪廓工藝及應(yīng)用
南加州大學(xué)的BehrokhKhoshnevis教授的建筑輪廓打印方法是一種基于混凝土的自動(dòng)化施工方法。2004年，該項(xiàng)技術(shù)就已經(jīng)能夠“打印”出5英尺（約合1.52m）長(zhǎng)、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(lái)的墻是空心的，其間布置桁架狀構(gòu)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(shí)預(yù)留“梁”與“柱”澆筑的空間，并處理各種基礎(chǔ)設(shè)施管道和電氣布置。

圖5 Landscape House

目前，該工藝可以做到24小時(shí)內(nèi)打印出大約232m2的兩層樓房。輪廓設(shè)計(jì)（CC）是一種計(jì)算機(jī)自動(dòng)施工方法，它能提供快速生產(chǎn)，顯著減少浪費(fèi)，大量地節(jié)省成本。要在月球上 長(zhǎng)時(shí)間停留，需要足夠的輻射防護(hù)措施，這取決于能否在月球上建造結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)，可以利用基于月壤的高強(qiáng)混凝土（包括玻璃增強(qiáng)桿或從表層土中提取的纖維）在月球表面自動(dòng)完成整體結(jié)構(gòu)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(gè)大型龍門機(jī)器人完成每一層的打印任務(wù)，然后把各層疊加起來(lái)構(gòu)建整個(gè)房子（圖7~8），但這種方法需要大量的預(yù)備場(chǎng)地和一個(gè)大型超級(jí)機(jī)器人。
另一種方法是同時(shí)使用多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)作。采用移動(dòng)機(jī)器人方案有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括便于運(yùn)輸和安裝、并行施工和可擴(kuò)展設(shè)備數(shù)量。
墻體結(jié)構(gòu)可采取多種空腔墻體形式，適應(yīng)于打印機(jī)器人的快速運(yùn)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(qiáng)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(dāng)多的時(shí)間和成本。

圖7 輪廓工藝大型龍門機(jī)器人施工方案

建造成本取決于機(jī)器所消耗的時(shí)間和能源�？偣こ塘靠梢酝ㄟ^(guò)已知的打印路徑來(lái)計(jì)算，先把建筑分割成若干層，然后再把每一層轉(zhuǎn)換為一個(gè)由邊線和頂點(diǎn)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(jī)速度的提升在降低打印時(shí)間上很有潛力。針對(duì)不同環(huán)境和受力要求的墻體，采取有針對(duì)性的、不同的墻體形式可以節(jié)省更多時(shí)間，將打印機(jī)擠壓噴頭設(shè)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(dòng)機(jī)器人施工方案

（3）尼龍纖維激光燒結(jié)工藝及應(yīng)用
在英國(guó)，Softkill Design正著手使用3D打印技術(shù)建造大批量民用住房。這些房屋以骨骼架構(gòu)為原型，以纖維尼龍為結(jié)構(gòu)制作所有的部件需要三個(gè)星期，組裝起來(lái)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(guó)住房危機(jī)。2012年，倫敦設(shè)計(jì)工作室Softkill Design 的設(shè)計(jì)師們運(yùn)用3D打印機(jī)打印出了一個(gè)1：33比例的房子模型 ProtoHouse1.0（圖9），它并非采用實(shí)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(chǎng)外制造的，在3D打印機(jī)實(shí)驗(yàn)室使用激光燒結(jié)生物塑料，并添加金屬等較堅(jiān)固的物質(zhì)制成。打印好之后運(yùn)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(jìn)行固定。這種方式比現(xiàn)場(chǎng)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(jié)構(gòu)只有0.7mm厚。而下一步，在前者的研究和開發(fā)的基礎(chǔ)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(lái)，建造經(jīng)濟(jì)型3D打印房屋將成為現(xiàn)實(shí)。

（4）粉末壓實(shí)與蒸汽固化工藝
恩斯赫德（荷蘭東部城市）的學(xué)者A. Budding在粉末壓實(shí)的快速成型技術(shù)方面進(jìn)行了一些研究。在這類特殊設(shè)備上的研究，馬里博爾大學(xué)的DanijelRebolj提出一種新的建筑技術(shù)概念，可以在納米級(jí)的層次進(jìn)行施工追蹤。美國(guó)華盛頓大學(xué)的Ben Utela等在建筑3D打印的工藝方面提出了5個(gè)步驟：材料配合、粘結(jié)劑選擇、粘結(jié)配方和測(cè)試、打印流程規(guī)范、后期處理等。泰國(guó)國(guó)家金屬和材料技術(shù)中心的R. Chumnanklang等研究低成本的水溶性天然高分子粘結(jié)劑、羥磷灰石顆粒噴霧干燥技術(shù)在3D打印中的應(yīng)用。

紐約倫斯勒理工學(xué)院機(jī)械工程系的Joseph  Pegna研究了新的加法制造的3D打印對(duì)于建筑施工自動(dòng)化的效果，研究蒸汽固化工藝，評(píng)估了這種大型建筑結(jié)構(gòu)的固體成型技術(shù)的前景。麻省理工學(xué)院的史蒂文・基廷等提出了使用機(jī)器人技術(shù)用復(fù)合材料制造和復(fù)制的3D打印。英國(guó)的拉夫堡大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院的T.T. Le 等研究了用3D打印技術(shù)通過(guò)9mm直徑噴嘴打印逐層累積的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。這不同于傳統(tǒng)的施工，密實(shí)分層過(guò)程中的混凝土達(dá)到很高的拉壓強(qiáng)度。

2.2 國(guó)內(nèi)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(nèi)展出。這些建筑依據(jù)電腦設(shè)計(jì)方案的圖紙，經(jīng)一臺(tái)大型的3D打印機(jī)層層疊加噴繪而成，整個(gè)建筑過(guò)程僅花費(fèi)24小時(shí)，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(yīng)系統(tǒng)。其打印材料的核心技術(shù)是以高標(biāo)號(hào)水泥與玻璃纖維為主，依靠自主研發(fā)的打印機(jī)設(shè)備連續(xù)線性擠出打印而成，比傳統(tǒng)鋼混建筑強(qiáng)度更高。  馬義和的團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了一種新型生態(tài)石材SRC（特種玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合水泥），接著又在FRP（纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料）有所突破。正是這些技術(shù)為其3D打印打下良好基礎(chǔ)。值得一提的是，這些3D打印建筑原材料通過(guò)就地取材，回收附近建筑垃圾、工業(yè)垃圾和尾礦，通過(guò)技術(shù)處理、加工、分離，實(shí)現(xiàn)建筑垃圾再利用。

圖10 上海張江高新青浦園區(qū)內(nèi)展出的3D 打印房屋構(gòu)架

3D打印技術(shù)的發(fā)展將使大規(guī)模的個(gè)性化生產(chǎn)成為可能，并會(huì)創(chuàng)造出大量的傳統(tǒng)工藝無(wú)法生產(chǎn)的新型材料，這將會(huì)帶來(lái)全球制造業(yè)經(jīng)濟(jì)的重大變革。盡管過(guò)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(lǐng)域已經(jīng)有了基于這類方法的成功應(yīng)用實(shí)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(yán)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(shuō)是唯一適用于建設(shè)大型復(fù)雜建筑的新的建造方法。

綜上所述，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)3D打印材料有了一定的探索并基于材料特性摸索了相應(yīng)的打印模式，但是在適應(yīng)多元材料的打印設(shè)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(duì)細(xì)沙和鎂基膠的運(yùn)用，是基于膠凝材料和細(xì)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(fù)雜形體的D-Shape打印設(shè)備。BehrokhKhoshnevis在混凝土配方材料的快速成型打印技術(shù)上研究較多，并探索了多種適合混凝土打印機(jī)的屋蓋形狀。其他基于塑料或纖維材料而產(chǎn)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(guò)程還有待研究。 其次，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究建筑3D打印已經(jīng)進(jìn)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(shù)已完成實(shí)際建設(shè)的項(xiàng)目更是少之又少。

D-Shape打印機(jī)和輪廓打印機(jī)技術(shù)的研究為我們提供了一個(gè)很好的參考方法，在這個(gè)基礎(chǔ)上，若將3D打印原理和建筑結(jié)構(gòu)及材料的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題結(jié)合起來(lái)，發(fā)展新的低成本的3D打印方法體系，不但對(duì)于解決全球住房危機(jī)和節(jié)約能源、環(huán)保等問(wèn)題從而促進(jìn)社會(huì)和諧發(fā)展顯得迫切而意義深遠(yuǎn)，也會(huì)對(duì)未來(lái)建筑業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。

編輯：南極熊
作者：宋靖華（武漢大學(xué)城市設(shè)計(jì)學(xué)院）  胡欣（武漢大學(xué)城市設(shè)計(jì)學(xué)院）
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