3D打印建筑发展动态分析报告（下）

3）混凝土打印工艺
混凝土打印工艺由英国拉夫堡大学建筑工程学院提出，该技术与轮廓工艺相似，使用喷嘴挤压出混凝土通过层叠法建造构件。该团队研发出一种适合3D打印的聚丙烯纤维混凝土，并测试了这种混凝土的密度、抗压，抗折强度，层间的粘结强度等物理性质，证实该混凝土可以用于混凝土打印技术。目前该团队用混凝土打印技术制造出了混凝土构件。表2 为混凝土打印工艺与轮廓工艺和D-Shape工艺的对比：

2014年8月21日，苏州的建筑材料公司盈创使用一台巨大的3D打印机，采用特殊的墨水—混凝土进行打印，在一天内主要利用可回收材料，建造了10栋200平方米的毛坯房，展示了3D打印机的强大功能。

4）尼龙纤维激光烧结工艺
英国伦敦设计工作室Softkill Design正着手使用3D打印技术建造大批量民用住房。这些房屋以骨骼架构为原型，以纤维尼龙为结构制作所有的部件需要三个星期，组装起来则只需要一天。这种3D打印房屋概念将是房屋建造的革命性改变，甚至能够最终解决英国住房危机。2012年，伦敦设计工作室Softkill Design 的设计师们运用3D打印机打印出了一个1：33比例的房子模型 ProtoHouse1.0（图2-17），它并非采用实墙建造模型，而是采用纤维材料打印而成，外形似如洞穴。

ProtoHouse1.0共分30节段打印，各房屋组件是场外制造的，在3D打印机实验室使用激光烧结生物塑料，并添加金属等较坚固的物质制成。打印好之后运送至建筑基地拼装，用尼龙搭扣或者像钮扣一样的扣合件进行固定。这种方式比现场采用沙子和混凝土3D打印制造的效果更好。截至2013年3D打印制造的纤维结构只有0.7mm厚。而下一步，在前者的研究和开发的基础上，将打印出一幢4m×8m的单层建筑ProtoHouse2.0。建造3D打印房屋的成本并未公布，但雷特辛表示，伴随着3D打印行业的快速发展，将逐步降低制造成本，这意味着不久的将来，建造经济型3D打印房屋将成为现实。

5）粉末压实与蒸汽固化工艺
恩斯赫德（荷兰东部城市）的学者A. Budding在粉末压实的快速成型技术方面进行了一些研究。在这类特殊设备上的研究，马里博尔大学的DanijelRebolj提出一种新的建筑技术概念，可以在纳米级的层次进行施工追踪。美国华盛顿大学的Ben Utela等在3D打印建筑的工艺方面提出了5个步骤：材料配合、粘结剂选择、粘结配方和测试、打印流程规范、后期处理等。泰国国家金属和材料技术中心的R. Chumnanklang等研究低成本的水溶性天然高分子粘结剂、羟磷灰石颗粒喷雾干燥技术在3D打印中的应用。 图 2-18为世界首座3D打印办公楼。

纽约伦斯勒理工学院机械工程系的Joseph  Pegna研究了新的加法制造的3D打印对于建筑施工自动化的效果，研究蒸汽固化工艺，评估了这种大型建筑结构的固体成型技术的前景。麻省理工学院的史蒂文.基廷等提出了使用机器人技术用复合材料制造和复制的3D打印。英国的拉夫堡大学土木与建筑工程学院的T.T. Le 等研究了用3D打印技术通过9mm直径喷嘴打印逐层累积的结构构件。这不同于传统的施工，密实分层过程中的混凝土达到很高的拉压强度。

6）建筑构件拼装与整体建筑打印结合的工艺
3D打印建筑工艺设计需要更多地和仿生学结合，设计轻质高强度的结构，来弥补3D打印建筑不便采用传统建筑钢筋带来的强度损失。未来的3D打印建筑发展方向将分为建筑构件打印后拼装、整体建筑打印和两种工艺互补等形式。

此外，现行的沙袋地球屋(Sand bag earth house)可以采用CC打印工艺整体完美实现。其原理是采用包装好的沙袋码叠成圆拱形，构筑非常自然的居住环境(见图3-2、图3-3)。国内的新农村建设可以以此为样板。

7）3D打印＋无人机技术

英帝国理工学院、伦敦大学学院和英国巴斯大学的研究人员对于未来3D打印借助BIM，再新添无人机双翼后，将在灾难安置房领域发挥的作用有了更高的期待。

这种3D打印＋无人机的技术被称为“空中添加建筑制造”（Aerial Additive BuildingManufacturing），简称AABM。研究人员表示，他们希望通过AABM，实现：无人机搜集现场信息—将搜集到的信息提供给BIM软件—设计结构—使用具有3D打印功能的携带了打印材料的多架无人机进行建设。

研究人员称，AABM技术不仅能被用于灾后应急建筑的建设，还有可能成为一种改变所有建筑类型的新方法。
这不是首个旨在打造灾难或应急住房的3D打印项目。难民住房危机或将通过使用机器人组装3D打印的预制构件以非常经济的方式得到解决。
但是，这是史上首次运用3D技术＋无人机进行现场建设，而无需使用大型打印机或预制构件的方法。

第三部分 3D打印建筑的发展前景

3.13D建筑打印技术对于传统技术的优势
与传统施工工艺相比，3D建筑打印技术的优势主要有：
1）施工速度至少要快10倍，且建筑类型、复杂性等因素不会增加建设成本；
2）由于全程由电脑程序操控，直接基于CAD设计等的施工建造只产生5~10mm的误差，该技术允许的精度和设计自由性在过去闻所未闻，建筑师和工人间的问题将不再阻碍建筑师所要表达的设计想法；
3）不需要模板，定制型强，可塑性好，可打印出任何细节特点与复杂曲面、管道等；
4）可以使消费者根据自己的需求量身定制产品；
5）无需人工干预意味着建筑行业伤亡事故风险的大幅减少，大量节省人员劳工，且用于建筑施工的安全措施费降低；
6）可以就地取材，极大节省建造的运输成本；
7）由于是整体结构成形，建筑抗震性能大大增强；
8）可以适应恶劣环境，如在高原、雪山、沙漠、海洋、甚至地外星球等人为施工条件极其恶劣的环境下进行施工建造；
9）可以运用于古文物保护中，精准恢复古建筑的残损、遗失部分；
10）可以降低建筑粉尘污染，减少雾霾，保护环境实现绿色环保。
11）回收建筑垃圾、工业垃圾和尾矿，通过技术处理、加工、分离，使之成为3D打印建筑“油墨”的原材料。

3.23D打印建筑技术在工程项目建设过程中的优势
1）前期开发阶段。目前大部分的工程建设项目在前期开发阶段主要通过二位图形想象三维空间，只能通过相关设计图纸或者意向图来表达工程项目的需求。而利用3D打印建筑模型，可以围绕模型进行讨论，能够清晰的看出工程建设项目的优势与不足，集思广益，使工程项目的建设能够尽可能的表达出各方的需求。
2）方案设计阶段。3D打印建筑模型能够很好的展示出建筑物所在区域的环境背景，尤其是在大型建筑群的建造过程中，不可避免的要考虑工程项目建成后对周围建筑及环境造成的影响。利用3D打印建筑模型可以清晰的看出建筑与环境的协调程度，能否与环境或规划相符合。
3）项目技术设计和营造阶段。项目的技术设计和细部处理、风格展现等方面都可以较现在更加深化细致。例如在装修装饰的内饰材料、内部空间的陈设和装饰物品，都可以通过模型得以展现，这将满足人民对于房屋装饰的个性化需求。
4）项目实施阶段。工程建设实施阶段只需要一台电脑和打印机、图纸就可以打印出建筑。工程建设的数字化控制与施工，可以大大提高施工效率，有效的缩短建设工期。
5）项目的最终成果展示阶段。3D打印建筑模型，不仅是施工过程中的媒介，更能够作为一种成果展示工具，展示出建筑的最终形态。通过3D打印建筑模型，使建筑物变得清晰直观，能够帮助客户了解建筑的设计风格，赢取客户的信任。

3.33D打印建筑发展的问题
3D打印建筑虽然拥有广阔的应用前景，但目前还处于探索阶段，在打印材料、打印方式、打印设备、设计方法、施工工艺和标准体系等方面存在着一系列问题。建筑3D打印目前发展的主要任务是解决上述问题。

1）打印材料
打印材料是3D打印建筑的核心技术，未来3D打印建筑的发展和突破是以打印材料的突破为基础的。目前采用的打印材料主要是以混凝土为基材，存在着抗拉强度低、抗裂性能差、韧性差、构件易脆性破坏等问题。因此，寻找具有良好性能的打印材料是3D打印建筑当前发展的关键。
2）打印方式
目前3D打印建筑采用的打印方式还局限于传统的打印方式。“轮廓工艺”和盈创采用的打印方式类似于FDM技术(熔积成型技术)，通过“挤出”半凝固的打印材料来构建物体，但是这种打印方式存在一个矛盾的问题，一方面需要打印材料迅速形成强度，在打印过程中上层材料的堆积会对下层材料形成压力，如果打印材料在短时间内没有形成足够的强度，就会在压力作用下产生变形；另一方面，如果打印材料迅速“固化”，则两层打印材料之间的层间黏结性能就比较差，形成构件的一个薄弱环节。“D—shape”采用的打印方式类似于SLS技术(选择性激光烧结技术)，首先铺设层状粉末(砂子)，再将粉末黏结构成构件，但是这种打印方式的问题是打印速度较慢，不适于像建筑之类的巨型构件。因此，3D打印建筑的打印方式还需要跳出已有思维方式的束缚，还需进一步探索更适于建筑建造特点的打印方式。
3）打印设备
目前3D打印建筑设备主要是采用轨道式，这种方式的特点是结构简单稳定，打印精度高，但不适于现场作用。在3D打印建筑的发展初期，主要是针对农村地区住宅和别墅等多层住宅，需要现场作业，这就需要开发集运输、搅拌、打印、吊装等多种功能于一体的打印设备。打印设备能够运输纤维材料和夕l-JJn剂到达打印场地，并携带部分现场不能打印或打印难度较大的预制构件。主要的打印材料如水泥、砂子、水等由业主白备，打印设备按特定的配合比对原材料进行配制和搅拌。然后打印设备按设计要求现场打印墙柱构件，并按照设计要求调整打印墙体的宽度，同时打印设备还可在打印过程中对墙体进行抹平等处理。打印完1层墙体后，打印设备可对打印机械进行调整，使其能够吊装预制的楼板、梁等构件。吊装完成后又可进行下一层构件的打印。
4）设计方法
目前建造3D打印在工程施工中的应用还属于探索阶段，没有成熟的设计理论和方法可以借鉴。由于3D打印建筑与传统的钢筋混凝土结构、砌体结构在材料性能和建造工艺上有较大区别，因此需要在充分了解材料性能和构件性能的基础上研究适于3D打印建筑的设计理论和设计方法。
5）施工工艺
3D打印建筑技术作为一种全自动的施工方法，与传统的以人力为主的施工方法相比有诸多不同点，其在施工工艺方面需解决支撑、找平、配筋结构装饰一体化等问题。
6）标准体系
3D打印建筑的打印材料标准、设计规范、施工规范、验收标准等一系列的标准体系的制定是3D打印建筑技术在发展过程中逐步形成的，应在市场的主导作用下，以企业为主体逐步发展完善。标准体系应按照企业标准、行业标准、国家标准的顺序来逐步推进。

3.43D打印建筑的发展前景
显然，3D打印建筑的诸多优点使其拥有广阔的市场前景，而且随着3D打印技术不断进步，3D打印建筑技术的应用将越来越广泛。
1）GRC，SRC等高档建筑装饰构件
GRC，SRC等高档建筑装饰构件造型复杂，利用传统的制造方式成本较高。3D打印建筑技术由于不需要磨具，可以直接打印异形复杂的装饰构件，可以充分发挥其技术特点，快速打印高档的建筑装饰构件，为3D打印建筑的推广奠定基础。
2）雕塑小品
公园和社区公共区域常摆放一些雕塑小品，这些作品往往设计大胆，外形新颖，充满创意，但从建造的角度来说，是非常困难的，一方面建造成本高，另一方面在建造过程中会丢失部分信息，无法做到与设计完全一样。3D打印建筑可以实现异形构件的打印，既降低成本，又可以实现设计信息的无损传递，使最终的产品做到与设计模型完全一致。
3）别墅
在3D打印建筑的发展初期，材料成本和技术成本还相对较高的情况下，别墅的3D打印是其发展的一个主要方向。别墅主要注重外形及品质，较少考虑成本，可充分利用3D打印建筑技术的特点，打印造型奇特和复杂的别墅，并在别墅打印过程中不断改进技术、降低成本，推动其进一步发展。
4）农村住宅在3D打印
建筑的发展中期，农村住宅的3D打印是其发展的一个主要方向。农村住宅多为2—3层的多层住宅，多为农民自建住宅，不仅成本高，而且设计施工不规范，抵抗地震等灾害的能力较差。如果3D打印建筑能够做到降低成本，采用规范的设计和施工标准，则能在农村地区得到迅速推广，这对我国的新型城镇化建设和农村地区发展会起到不可估量的作用。
5）经济适用房和廉租房
在3D打印建筑的发展中后期，在技术相对成熟的情况下，可以利用3D打印建筑速度快、性能优越的特点，修建以经济适用房和廉租房为主的多层住宅，短时间内可以建造大量的低成本房屋，改善低收入人口的居住条件。
6）高层住宅
在3D打印建筑发展后期，在打印材料性能优良，能满足高层建筑抗震、抗风等要求的情况下，可以开发适于高层建筑的打印设备，实现对高层建筑的3D打印。这是3D打印建筑发展的长远目标。
7）抗震救灾紧急用房
利用3D打印建筑的快速建造优势，可在地震、台风、泥石流、海啸等自然灾害后快速进行灾后安置工作，可在最短的时间内将受灾群众进行妥善安置。由于灾害重建速度跟不上，汶川地震一年多以后，仍有灾民住在帐篷内，严重影响其生活。如果利用3D打印建筑技术，既可以利用灾后的大量建筑垃圾，又可以在短时间内修建起大量的灾后用房，提高灾民的生活品质，快速进行灾后重建工作。
8）防风固沙
草方格治沙是国际公认的防风固沙的效果非常好的办法，但是人工铺设速度慢，成本高，无法大面积推广。可以利用3D打印建筑技术，以草为打印材料，可实现草方格铺设的自动化，使其在沙漠环境中大规模应用。
9）太空基地
如果未来人类要在月球上建造栖息地，可以将3D打印建筑设备运送到太空基地，直接利用外星球表层的土壤作为主要的打印材料，从地球运送少量建筑材料即可。3D打印建筑技术可以更快速环保地在外太空批量建造适合人类居住的建筑。

4结语
3D打印作为一种新型生产技术，在我国建筑业领域的发展只是初露端倪，国外的发展相对更成熟，根据国外研究实践的经验，同时由于我国目前传统建筑业存在环境污染严重、人力成本高、高能耗等各种问题，3D打印技术在我国建筑业领域的推广应用具有可行性和广阔前景。

然而，在充分的完善之前，每一项新技术在应用中都会出现不可预料的问题，3D打印建筑自然不会幸免。作为新兴技术，3D打印建筑同样面临着各种各样的考验。对于建筑企业来说，这既是挑战，同时也是机遇，相信在未来，3D打印技术会在建筑业上得到更长足的发展。

作者： 邱国锋
来源：中天施工技术

@邱国锋 打印房子的最好方式是电阻焊3D打印，材料用钢铁粉末。