3D打印在民用建筑的应用与发展趋势研究

引言

3D打印（Three Dimensional Printing）是现代前沿技术之一。自1976年喷墨打印机诞生以来，科学家及工程师们对打印技术持续发展与创新，尝试由“墨水+平面打印”模式升级到“其它材料+空间打印”模式，时至今日已在多个行业及领域获得应用甚至量产。本文回顾3D打印技术的发展、分析3D打印目前在民用建筑的应用情况，并研究总结3D打印在民用建筑的发展趋势。

一. 3D打印技术发展概述及分析

3D打印是一种通过“逐层堆积成型”方式实现实体打印的技术，它将设计的3D模型通过图形处理软件分割转化为二维面的模型，通过3D打印机把满足要求的打印材料逐层打印成三维产品。与传统工业化方法相比，传统方法属于减法（“去除成型”），3D打印属于加法（“堆积成型”）。

19世纪末，美国根据照相雕塑和地貌成形技术形成了3D打印核心制造思想，初期用于打印玩具、工具及厨房用品等小型东西；后续随着数字化技术的进步发展，打印设备、打印材料和辅助工具的发展，多学科多行业的交叉衍生，3D打印技术水平获得了大幅度提升并开始广泛应用。 目前已在汽车工业、航空航天、武器装备、生物医疗、通用制造等多个行业及领域得到应用。

航空航天领域3D打印主要针对由钛合金、铝合金、超高强度钢、高温合金等难加工材料生产的部品。上述材料强度高、熔点高，不易成型加工，若采用传统加工工艺则生产周期长、成本高昂。3D打印可以有效地提高部品质量、并降低制造成本，且制造速度快、加工周期短，统计表明至少可节约70%的时间；材料利用率高、加工成本低，统计表明可降低50%的制造费用；且加工过程不受零件复杂程度的影响，大幅度降低后续机加工难度及周期。以波音公司为例，该公司已在16种不同的商用和军用飞机上使用了200多种、2万多个3D打印的飞机零部件。

图1：3D打印波音787引擎（动图）

3D打印不需模具及机械加工，可以直接从设计完成的计算机图形数据中生成任何形状的物体，产品可以实现高精度、无缝连接及个性化需求，因此在医疗领域也广泛应用于医疗辅助器具，包括义肢、假牙及骨骼等；甚至结合肌电系统形成功能接近原肢的器具。

图2：3D打印义肢

除传统的粉末黏合成型技术外，随着材料及相应固化/成型技术的发展及变化，衍生出了各种3D打印技术，表一是常用的3D打印技术。

表一：3D打印技术

图3：选择性烧结技术（SLS）

图4：立体光刻成型技术(SLA)原理图

3D打印技术作为前沿工业化技术之一，具有以下优点：

（1）通过数字化方式实现高精度并适应高度复杂制造；

（2）减少模具加工生产环节，相比传统机床加工方式更加快速直接、并节约材料；

（3）可以直接打印成品产品，大大降低产品的组装成本。同时也因设备的尺度有限或材料的可选种类有限的实际情况，应用中受到较大限制；Sciaky公司2018年EBAM机型可以生产19英尺×4英尺×4英尺（5.79米×1.22米x 1.22米）的零件和结构或直径为8英尺（2.44米）的圆形零件，现有设备无法制造更大尺度的零件。

图5：Sciaky公司EMAM打印机

适合3D打印的材料种类有限，包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等；而成品产品往往是由不同材料的零件组成、甚至有的零件为多种材料复合而成，单一材料的3D打印只能提供零件，无法生成成品产品，可以采用装配式的方法把各种3D打印零件组装成品。

图6：Urbee2汽车

（3D打印+装配式，车身和超出50%的部件均采用3D打印）

3D打印技术是工业化前沿技术之一，可以协同或促进部分技术发展、甚至取而代之，但是不可能取代工业化全部技术。3D打印技术后续可以针对打印尺度大型化、开发适用各种需求的新型材料、复合/组合打印方法等方面继续研究与发展。

二、3D打印技术在民用建筑建造业的应用实例及畅想

与传统民用建筑建造方式相比， 3D打印技术具有如下优势：

（1） 结构整体成形，建筑整体性、安全性和耐久性大幅增强。

（2） 根据使用者的实际需求量身定制。

（3） 高精度且适用于复杂形体的建造。

（4） 不需要模板，大量节省现场人员。

（5） 适应恶劣环境的无人、少人建造。

（6） 建造速度快。

（7） 局部增材处理。

以下就是利用上述某个优势而进行民用建筑3D打印研究的有益尝试和思考：

应用实例一～建筑效果模型：

建筑模型公司通常采用纤维板和亚克力板制作建筑模型，一个项目的建筑模型制作往往耗时数周，采用3D 打印方式只需几天。 台湾传宇美术模型公司使用 Stratasys 的 FDM® 技术，以热塑性塑料性材料为原料，通过3D打印制作初始模型；再对初始模型的部件打磨抛光、上漆或电镀处理，最终实现模型需要表达的外观与质感。3D 打印方式不仅适用于复杂多变的体型外表，还提高了模型的密实度、强度和耐久性。

图7：3D打印的初始模型

应用实例二～建筑试验模型：

风荷载是高层建筑的主要侧向荷载之一，结构抗风分析是高层建筑结构设计的重要一环；对于体型复杂的结构，现有规范没有确定其建筑表面风压分布具体数值的内容，也需要借助结构模型风洞试验来模拟确定。风洞试验不仅提供结构整体风荷载分布，还能够提供幕墙表面风荷载的分布。对于刚性模型风洞试验，可以尝试利用3D打印技术制作小比例（1:400左右）模型，浙江大学风工程课题组在实践中发现打印模型质量太重、刚度欠缺等问题，且需要克服同步完成布置测点的技术难点；常用1:100的模型尺寸较大、达到了1～2m左右甚至更多的尺度，则难以通过3D打印技术实现；而传统手工制作风洞模型材料采用常为ABS工程塑料、有机玻璃、玻璃钢等，不存在上述技术问题。待解决设备打印尺度和材料适应性问题后，风洞模型试验大规模应用3D打印技术指日可待。

图8：风洞试验模型尺度比对

应用实例三～桥梁结构3D打印与装配式：

由清华大学（建筑学院）——中南置地数字建筑研究中心徐卫国教授团队设计研发、并与上海智慧湾投资管理有限公司共同建造的世界最大规模3D打印混凝土桥，于2019年1月12日在蕰川路智慧湾科创园落成。该桥外形参仿赵州桥，全长26.3米，拱长14.4米，宽3.6米，横跨园区景观鱼池。采用桥梁部件3D打印混凝土技术打印+装配式技术拼装的方式实现。

图9：3D打印混凝土桥

应用实例四～建筑结构3D打印：

创业公司ICON研制3D打印机器，可以在48小时内打印出32平米的住宅，打印部分重量约为900kg，打印价格约为1万美元，符合美国德克萨斯州的住房标准。打印材料为小骨料混凝土，通过逐层打印（浇筑）方式实现。

图10：3D打印混凝土单层房屋

畅想方向一～修补加固钢结构：

既有钢结构建筑物由于使用功能变化、使用年限到期和锈蚀腐蚀影响等原因导致需要加大或修补原结构构件截面时，可以尝试采用3D打印方式；钢结构的材料属于金属材料，现有航空发动机的3D打印技术可以转换到钢结构上使用，且通过FDM（熔融堆积成型技术）或EDM（电子束熔融技术）可以确保新旧材料完整无缝地形成整体。运用这项技术前需要解决打印设备的体积及升降灵活性，以满足搬运和现场高空作业需求。

图11：采用带有移动臂的打印设备修补钢结构房屋示意

（假想图）

畅想方向二～太空环境下的建筑建造：

当人类远征外太空并试图定居外星球时，需要应用该星球的材料3D打印成可供人类生存的居所，来自法国的设计公司Fabulous以此灵感设计了名为“Sfero”的概念方案。在太空环境下的居所营地建设相对地球难度更加巨大，需要解决3D打印设备的运输及能源，当地材料改良处理后能够成为解决安全、密闭、保温、耐久的建筑基本材料，3D打印设备能够在外太空失重（超重）、干燥（极湿）、高温差或强气流干扰环境正常生产，3D打印设备能够把建筑基本材料生成最终产品等系列问题。

图12：火星“Sfero”营地效果图

三、现阶段民用建筑大规模应用3D打印技术案例的研究

案例一：苏州盈创公司打印建筑

国内外均有房屋建造商前行于3D打印建筑结构的前沿。其中盈创新材料（苏州）公司于2014年1月，在苏州工业园区使用3D打印构件+装配式组装的方式建造一栋面积1100平方米的别墅和一栋6层居民楼。

图13：盈创新材料（苏州）公司3D打印别墅

整个生产流程如下:

图14：盈创3D打印产品的工作流程

盈创公司针对3D打印建筑物存在的技术难题采用了相应的解决方案：

（1） 打印构件以水泥与玻璃纤维作为原材料、打印类似GRC的构件，较好解决了别墅和多层的表层结构材料问题。与传统钢筋混凝土结构相比，采用水泥替代混凝土、玻璃纤维替代钢筋。后续尚需进一步解决水泥玻璃纤维构件的受力试验及承载能力极限状态计算公式推演，玻璃纤维在水泥中的锚固搭接构造，构件的质量验收标准等问题。

图15：以水泥为原材料打印构件

（2） 3D打印机采用龙门架结构形式，把传统混凝土浇筑方式简易转换为3D打印方式；通过自动定位系统，准确定位钢筋网片和其他装饰构件的摆放位置，减少人工干预、降低误差。

图16：3D打印构件

（3） 通过装配式技术解决打印构件尺寸有限的问题，其中一项关键技术就是利用“双皮墙”原理整体解决外饰面、埋设管线和结构连接受力的问题。

图17：双皮墙

盈创公司较好地解决了低层或多层建筑物的3D打印技术难题，形成了成套的实际解决方案。后期可在打印构件表观质量的改良、围护墙与保温隔热装饰一体化的实现等方面进一步提升。

案例二：北京华商陆海公司打印建筑

北京华商陆海科技有限公司参考龙门吊车运行特点研发了龙门式建筑3D打印机，并于2018年6月初在河北打印一栋600平米的三层实体建筑房屋“温莎城堡”，该建筑物长约30米、宽约11米。所采用的3D打印方式真正实现了施工工地现场打印、且原料仍然采用普通钢筋混凝土，通过直接浇筑成型技术，取消了模板工序、相应降低模板工程造价成本及工期。

图18：华商3D打印“温莎城堡”

图19：打印流程

“温莎城堡”打印材料为混凝土，钢筋工程同传统建造方式、需要预先绑扎；通过优化混凝土配合比并加入必要的添加剂，提高了混凝土打印后的成型稳定性和初凝进度；由于取消了模板和振捣、且打印头出料口及砼料初始粗糙度，因此混凝土完成面观感效果较差、室内需要厚抹灰或其它方式处理墙体表面，会引起相应的成本增量。

图20：打印头出料

打印头移动中仍然需要人工协助控位，无法直接通过纵横墙“T”型接头；混凝土保护层厚度较大、墙体平面外受力状态不好。尽管取消模板，但是存在3D打印设备的安装工期，因此“温莎城堡”主体结构打印实际工期45天，接近同类型传统建造工期基于上述案例的研究及分析，从以下三个方面总结3D打印应用于民用建筑的适用性：

1.民用建筑具有大型的体量，超出了常规3D打印设备的打印尺度限值。民用建筑动辄数十米到数百米的平面及高度尺寸，即使是构件层面，也往往达到了数米甚至十几米的尺度；而目前真正的3D打印设备最大的打印尺度也只能到米级。

图21：3D打印建筑示意图

2.民用建筑由多种材料复合而成。民用建筑常常采用高强度、一定耐久性和延性的钢筋混凝土材料或钢结构材料作为结构支撑体；建筑物隔断常用的非承重墙体则需要具有重量轻、强度高，耐水抗渗、隔音防火、保温隔热等要求；设备设施除保证相应功能使用外，需要一定的强度和防冻防爆等其它要求；装修装饰材料要具备健康、美观、实用、亲近等物理心理性能；各种材料有相应的功能和作用，有机组合在一起才能成为使用者遮风避雨、温馨亲近的生活或工作环境。目前3D打印材料没有一种或数种材料可以替代上述全部材料或部分材料；现有3D打印技术只能解决两种材料的组合打印方式，还不具备更多材料的组合打印能力。

3.民用建筑存在钢筋混凝土现浇或钢结构组装等多种传统建造方式，也存在以装配式为核心的新型工业化建造方式；这些建造方式与3D打印方式相比精度较差、工速略慢，但是具有符合就地取材、现有从业人员会干、产品价格大众化接受程度等多方面优势；这些优势对3D打印来说则是现阶段难以解决的劣势。

综上所述，目前民用建筑建造全部采用3D打印技术极其不现实，只能尝试在发挥3D打印优势的局部部位应用。

采用3D打印建筑物的探索之路仍然漫长，需要直面并克服在材料发展、技术标准、质监管控、打印质量和综合价格等多方面存在的困难和问题。

四、结语

3D打印发展已有数十年，但民用建筑领域仍然处于有限的拓展及尝试。后续能否获得飞跃发展需要基于以下几方面的发展状况：

1. 能否在材料方面取得突破，服务于民用建筑打印对象的材料应具有满足功能、易于生产、价格实惠的特征。

2. 能否在打印设备方面取得突破，例如实现分材打印或复合打印，满足民用建筑大量复合材料组成的部品构件的打印生产需求。

3. 能否在生产方式方面取得突破：机械打印系统不能简单随着建筑尺寸增大而增大；机器越大，现场生产设备的运输安装越复杂越困难，打印精度和打印速度就会越来越差。继续研究适应建筑大体量特点的智能直接打印设备（例如无人机/空间臂/吊车系统+配套打印设备）是一条值得期许的道路；此外结合建筑工业化理论，采用打印部品构件+现场装配式拼装的方式也值得继续探索。

4. 同步推出技术方法和技术标准方面：民用建筑大规模应用3D打印需要在技术方法和技术标准上获得指导，保障产品的质量控制与验收。

期待未来！期待3D打印世界！

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