丁烈云，徐捷，覃亞偉

(華中科技大學(xué)a．湖北省數(shù)字建造與安全工程技術(shù)研究中心;b．土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

建筑3D打印數(shù)字建造技術(shù)研究應(yīng)用綜述

丁烈云，徐捷，覃亞偉

(華中科技大學(xué)a．湖北省數(shù)字建造與安全工程技術(shù)研究中心;b．土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

3D打印技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代末，也稱為“增材制造”或“快速原型”技術(shù)。21世紀(jì)以來，隨著3D打印技術(shù)的引入，數(shù)字建造成為了建筑領(lǐng)域數(shù)字化發(fā)展的趨勢。本文對國內(nèi)外現(xiàn)有建筑3D打印技術(shù)相關(guān)研究及應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，依據(jù)使用材料和打印工藝將目前主要建筑3D打印技術(shù)歸納為三類:基于混凝土分層噴擠疊加的增材建造方法、基于砂石粉末分層粘合疊加的增材建造方法和大型機(jī)械臂驅(qū)動的材料三維構(gòu)造建造方法。文章對未來建筑3D打印的研究方向提出了若干展望，包括材料理論及新材料研發(fā)、機(jī)械設(shè)備及工藝改良、軟硬件協(xié)同和智能化控制研究、3D打印構(gòu)件及結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究、技術(shù)適用性及工作模式研究、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系研究、社會經(jīng)濟(jì)效益評價研究等方面。

建筑3D打印;數(shù)字建造;增材建造

長期以來，建筑工程建造方式受限于傳統(tǒng)的建造工具及技術(shù)手段，一方面，建筑師對三維建筑形式天馬行空的想象力和創(chuàng)造力難以付諸實踐，另一方面，粗獷的建造技術(shù)給環(huán)境帶來了嚴(yán)重的破壞，造成了巨大的資源消耗和浪費。

隨著當(dāng)今全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會的進(jìn)步，城市化進(jìn)程的加快，人們生活水平的提高，造型獨特、輕質(zhì)高強(qiáng)、綠色環(huán)保的新型建筑形式已經(jīng)成為未來建筑及結(jié)構(gòu)構(gòu)造的功能需求和發(fā)展趨勢;同時，傳統(tǒng)的高消耗、用資源換效益的生產(chǎn)方式已經(jīng)越來越難以為繼，建筑行業(yè)需要尋找新的建造方式［1］。建筑3D打印數(shù)字建造技術(shù)將是一種有效的解決途徑，其數(shù)字化、自動化的建造方式將給建筑業(yè)帶來翻天覆地的變革。

1 建筑3D打印數(shù)字建造基本原理

建筑3D打印技術(shù)作為新型數(shù)字建造技術(shù)，它集成了計算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料成型技術(shù)等，采用材料分層疊加的基本原理，由計算機(jī)獲取三維建筑模型的形狀、尺寸及其他相關(guān)信息，并對其進(jìn)行一定的處理，按某一方向(通常為Z向)將模型分解成具有一定厚度的層片文件(包含二維輪廓信息)，然后對層片文件進(jìn)行檢驗或修正并生成正確的數(shù)控程序，最后由數(shù)控系統(tǒng)控制機(jī)械裝置按照指定路徑運動實現(xiàn)建筑物或構(gòu)筑物的自動建造，如圖1所示，也被稱為“增材建造(Additive Construction)”。此外，由機(jī)械臂或機(jī)器人主導(dǎo)完成的建筑實體的構(gòu)建也是一種建筑3D打印數(shù)字建造技術(shù)。

圖1 增材建造的基本原理

(1)三維模型建立與近似處理。有兩種三維建模的方法:通過建筑參數(shù)化建模軟件(如Revit、3dmax等)直接建模;或利用逆向反求工程(如三維掃描等)，通過點云數(shù)據(jù)構(gòu)造出三維模型。然后用軟件將三維模型導(dǎo)出為特定的近似模擬文件，如STL格式文件等，為后續(xù)工作做好準(zhǔn)備。

(2)模型切片與路徑規(guī)劃。將三維模型模擬文件導(dǎo)入建筑3D打印數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)對模型進(jìn)行兩步處理:用一系列平行、等間距的二維模型進(jìn)行擬合，即分層切片處理;將切片得到的層片輪廓轉(zhuǎn)化為打印噴嘴的運行填充路徑，即層片路徑規(guī)劃。經(jīng)過上述兩步處理生成機(jī)械運動指令。

(3)模型層片加工與疊加。打印噴頭在建筑3D打印數(shù)控系統(tǒng)的控制下按照規(guī)劃好的路徑進(jìn)行打印，然后層層疊加，得到最終建筑產(chǎn)品［2］。

建筑3D打印數(shù)字建造技術(shù)實質(zhì)上是全新的設(shè)計建造方法論的革新，使得傳統(tǒng)的建造技術(shù)被數(shù)字化建造技術(shù)所取代，從而滿足日益增長的非線性、自由曲面等復(fù)雜建筑形式的設(shè)計建造要求。

2 國外研究應(yīng)用現(xiàn)狀及評述

建筑3D打印起源于1997年美國學(xué)者Joseph Pegna提出的一種適用于水泥材料逐層累加并選擇性凝固的自由形態(tài)構(gòu)件的建造方法［3］。2001年，美國南加州大學(xué)教授Behrokh Khoshnevis提出了稱為“輪廓工藝(Contour Crafting)”的建筑3D打印技術(shù)，通過大型三維擠出裝置和帶有抹刀的噴嘴實現(xiàn)混凝土的分層堆積打印。英國Monolite公司于2007年推出一種新的建筑3D打印技術(shù)“D型(D-shape)”，采用粘結(jié)劑選擇性硬化每層砂礫粉末并逐層累加形成整體。2008年，英國拉夫堡大學(xué)的Richard Buswell教授提出了另一種噴擠疊加混凝土的打印工藝，即“混凝土打印(Concrete Printing)”，并且具有較高的三維自由度和較小的堆積分辨率［4］。在十多年的發(fā)展過程中，世界范圍內(nèi)學(xué)界對這種新的建造方式進(jìn)行了相當(dāng)?shù)难芯刻剿鞴ぷ?，部分國家和地區(qū)的政府機(jī)構(gòu)也給予了大力的支持。

本文依據(jù)使用材料和打印工藝的不同將目前相對成熟的建筑3D打印方法主要分為以下三類:基于混凝土分層噴擠疊加的增材建造方法、基于砂石粉末分層粘合疊加的增材建造方法和大型機(jī)械臂驅(qū)動的材料三維構(gòu)造建造方法。此外，英國倫敦的Softkill Design工作室研究了采用尼龍纖維材料通過激光燒結(jié)工藝打印節(jié)段后扣合拼裝形成整體建筑的方法，目前還處于試驗階段［5］。

2．1 基于混凝土分層噴擠疊加的增材建造方法

2．1．1 輪廓工藝(Contour Crafting，CC)

2001年，美國南加州大學(xué)(University of Southern California)教授Behrokh Khoshnevis提出了一種稱為“輪廓工藝(Contour Crafting，CC)”的建筑3D打印技術(shù)［4］，通過混合料分層堆積成型實現(xiàn)建造，圖2給出了其打印工藝流程。

經(jīng)過多年發(fā)展，輪廓工藝已具備利用一定材料實現(xiàn)大型建筑構(gòu)件甚至是整體建筑自動建造的技術(shù)可能性(如圖3所示)［6］。目前，研究團(tuán)隊正在美國宇航局(NASA)的支持下，研究利用輪廓工藝在月球上建造太空基地的相關(guān)技術(shù)［7］。

圖2 輪廓工藝打印工藝流程

圖3 輪廓工藝機(jī)械裝置及打印墻體結(jié)構(gòu)［1，8］

輪廓工藝的主要優(yōu)勢為利用抹刀實現(xiàn)構(gòu)件平整光滑的表面(如圖3所示)，但其工藝較為耗時，且打印構(gòu)件整體性不足、尺寸受設(shè)備限制［1］。

2．1．2 輪廓工藝－帶纜索系統(tǒng)(CC-cable-suspended)

2007年，美國俄亥俄大學(xué)(Ohio University) Paul等人改進(jìn)并提出了輪廓工藝－帶纜索系統(tǒng)(CC-cable-suspended)，以剛框架作為機(jī)械骨架，通過12條纜索控制終端噴嘴的三維運動(如圖5所示)，稱其為基于直角坐標(biāo)系的輪廓工藝?yán)|索機(jī)器人(Contour Crafting Cartesian Cable Robot，C4 Robot)［9］，圖4為改進(jìn)后的工藝流程。

圖4 輪廓工藝－帶纜索系統(tǒng)工藝流程

圖5 輪廓工藝－帶纜索系統(tǒng)示意［9］

該改良后的工藝主要體現(xiàn)在:用輕質(zhì)剛框架代替笨重龍門架，更加便攜、靈活、易拆裝，使得在工地現(xiàn)場打印建造房屋更具有可行性［9］。

2．1．3 混凝土打印(Concrete Printing)

英國拉夫堡大學(xué)(Loughborough University)創(chuàng)新和建筑研究中心Lim等人于2008年提出了后來被稱為“混凝土打印(Concrete Printing)”的建筑3D打印技術(shù)［4］，也是基于混凝土噴擠堆積成型的工藝［1］，其工藝流程如圖6所示，機(jī)械裝置如圖7所示。

圖6 混凝土打印工藝流程

團(tuán)隊研發(fā)出適合3D打印的聚丙烯纖維混凝土，已于2009年成功打印出一個尺寸為2 m× 0．9 m×0．8 m混凝土靠背椅，并對其原位剝離進(jìn)行立方體抗壓等性能測試［10，11］。

混凝土打印通過空間鋼筋網(wǎng)保證了構(gòu)件的整體性，其工藝較簡單，打印效率較高;但其打印構(gòu)件表面粗糙，尺寸受設(shè)備限制［1］。

圖7 混凝土打印機(jī)械裝置［12］

2．2 基于砂石粉末分層粘合疊加的增材建造方法

2．2．1 D型(D-shape)

2007年，英國Monolite公司的意大利工程師Enrico Dini提出了一種通過噴擠粘結(jié)劑來選擇性膠凝硬化逐層砂礫粉末實現(xiàn)堆積成型的方法(圖8)即D型(D-shape)［4］，圖9為其機(jī)械裝置。

圖8 D型工藝流程

研究團(tuán)隊已經(jīng)于2009年成功打印了一高1．6 m的雕塑，近兩年來，針對D-shape技術(shù)用于月球基地的建造進(jìn)行了研究［13］。目前，Enrico Dini正與荷蘭建筑師合作打印一座“莫比烏斯環(huán)”狀的建筑物，并將參加歐洲的3D打印比賽［14］。

圖9 D型機(jī)械裝置［13］

D型高精度一體化成型打印的構(gòu)件強(qiáng)度高、整體性好，同時非水泥材料的使用大幅降低碳排放，且材料無堵塞管道等問題;但其打印過程緩慢，構(gòu)件尺寸受機(jī)械限制，且成本較高［1，15］。

2．2．2 數(shù)字異形體(Digital Grotesque)

從2012年開始，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zürich)的Michael等人以砂石粉末為材料，經(jīng)過數(shù)字算法建模、分塊三維打印、壘砌組裝等過程(圖10)完成了一個3．2m高的Grotesque構(gòu)筑物的3D打印建造，稱作數(shù)字異形體(Digital Grotesque)［16，17］，如圖11所示。

圖10 數(shù)字異形體工藝流程

圖11 數(shù)字異形體雕塑［17］

打印建造的數(shù)字異形體雕塑被置于工作室中用于展示，是建筑師數(shù)字設(shè)計建造方法的一個典型嘗試。

2．3 大型機(jī)械臂驅(qū)動的材料三維構(gòu)造建造方法

2．3．1 磚塊堆疊(Brick Stacking)

從2006年開始，瑞士聯(lián)邦(ETH Zürich)的 Fabio、Matthias等人開始進(jìn)行了由大型機(jī)械臂主導(dǎo)的數(shù)字設(shè)計建造研究，其中較為典型的即為磚塊堆疊(Brick Stacking)。磚塊堆疊以磚塊作為材料單元，由數(shù)控程序驅(qū)動3 m×3 m×8 m的機(jī)械手以錯位形式抓取堆疊磚塊，上下兩塊磚之間用環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑連接補(bǔ)強(qiáng)，建造了外立面超過300平方米的“動態(tài)磚墻”(Informing brick wall)［18］(圖13)。近兩年來，研究者開發(fā)了用小型機(jī)器人飛行器進(jìn)行磚塊抓取堆疊的新技術(shù)，提高了工作自由度及效率［19，20］，圖12為其工藝流程。

圖12 數(shù)字異形體工藝流程

圖13 機(jī)械手驅(qū)動磚塊堆疊過程［18］

該方法以磚塊為建造材料，將原始建筑材料與數(shù)字建造技術(shù)相結(jié)合，彰顯了非線性建筑之美，但其建造尺寸仍受機(jī)械限制。

2．3．2 展亭編織(Pavilion)

2010年，德國斯圖加特大學(xué)(University of Stuttgart)Archim Menges教授的ICD工作室開始了以公園展亭(Pavilion)為對象的數(shù)字設(shè)計建造探索。2012年，團(tuán)隊采用計算數(shù)學(xué)設(shè)計和機(jī)器臂自動操作，使用碳纖維材料及設(shè)定的編織工藝，通過精準(zhǔn)控制機(jī)器人與自動旋轉(zhuǎn)的模具之間協(xié)同工作，編織了一個可自支撐的殼體結(jié)構(gòu)展亭。最后，人工拆卸鋼支架形成最終的展亭結(jié)構(gòu)，實際建造結(jié)果同設(shè)計模型之間的誤差控制得非常?。?1］，如圖14、15所示。

圖14 展亭自動編織工藝流程

圖15 展亭自動編織過程［21］

團(tuán)隊研究采用新型材料，將材料算法設(shè)計與數(shù)字建造技術(shù)相結(jié)合，最終建筑造型美觀、整體強(qiáng)度剛度較高;需要注意的是，其打印建造過程需要以鋼支架為支撐。

2．4 國外研究應(yīng)用現(xiàn)狀評述

從上述國外主要建筑3D打印數(shù)字建造技術(shù)的研究可以看出本文依據(jù)使用材料和打印工藝的不同將其分為三類方法具有合理性。以下從兩個維度對該三類方法的研究進(jìn)行評述。

從橫向角度看，混凝土分層噴擠疊加與砂石粉末分層粘合疊加這兩類方法，都是基于材料分層疊加的原理。兩者的主要差異在于使用材料和打印工藝，前者多采用混凝土(水泥)分層自穩(wěn)自凝固堆積成型，后者則是粘結(jié)劑在設(shè)備外逐層選擇性粘結(jié)砂石粉末累積成型。大型機(jī)械臂驅(qū)動的材料三維構(gòu)造方法與前兩者相比主要區(qū)別在于機(jī)械，大型機(jī)械手的建造邏輯突破了分層疊加的增材過程，準(zhǔn)確地說是一種材料的三維空間建構(gòu)。

導(dǎo)致上述差別最根本的因素是材料，建筑領(lǐng)域材料的多樣性導(dǎo)致了三類方法設(shè)計采用了不同的機(jī)械與建造工藝，也決定了其可能不同的適用情況，如具有承載力要求的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件適用于第一類方法，而承載力要求稍弱、觀賞性要求高的建筑物或異型雕塑則適用于第二或第三類方法。

從縱向角度看，每類方法每種流派的打印工藝不盡相同，但都存在一些共同的問題:

(1)材料設(shè)計制備及性能優(yōu)化問題。對于第一類，適用于增材建造的混凝土材料配合比理論尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，鑒于分層疊加的構(gòu)造形式，其力學(xué)性能需要通過完善配合比來優(yōu)化確定。對于第二類，細(xì)磨砂石粉末的粒徑精度要求較高，制備較為困難，且粘結(jié)劑的相關(guān)性能也有待優(yōu)化。

(2)機(jī)械設(shè)備尺寸及智能化問題?；旧纤辛髋山ㄖ?D打印方法的建造尺度都受到機(jī)械設(shè)備的限制，導(dǎo)致打印構(gòu)件尺寸有限，只能通過模塊打印拼裝來形成整體。另外，機(jī)械設(shè)備由既定數(shù)控程序控制，因此，人工智能將是需要的，以智能化應(yīng)對打印中發(fā)生的突發(fā)問題。

(3)打印工藝優(yōu)化問題。前兩類的增材建造過程都會產(chǎn)生具有層狀紋理的粗糙表面，嚴(yán)重影響外觀，需要通過額外的人工處理才能保證平整度(輪廓工藝僅僅是一定程度上改善了平整度);分層打印的工藝會產(chǎn)生層間粘結(jié)力不足導(dǎo)致的構(gòu)件整體強(qiáng)度、剛度和整體性不足，等等。

(4)數(shù)控軟硬件協(xié)同問題。建筑3D打印的自動建造由數(shù)控軟件控制機(jī)械完成，軟件導(dǎo)出的控制指令取決于所建的模型，要實現(xiàn)將所建的三維模型由數(shù)控軟件驅(qū)動機(jī)械設(shè)備準(zhǔn)確地打印建造出來將是一個關(guān)鍵的軟硬件協(xié)同問題。

3 國內(nèi)研究應(yīng)用現(xiàn)狀及評述

國內(nèi)高校的研究起步較晚，基本上是從2010年后開始的。從目前的研究現(xiàn)狀看，本文將其分為以下三類:(1)基于材料分層疊加方法的研究; (2)由建筑設(shè)計理論驅(qū)動的數(shù)字建造研究;(3)以技術(shù)研究應(yīng)用綜述和相關(guān)理論為主的研究。

國內(nèi)企業(yè)的研究側(cè)重于技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用探索，個別企業(yè)的研究起步較早，已經(jīng)取得了明顯的研究成果，并付諸了實踐應(yīng)用。

3．1 基于材料分層疊加方法的研究

3．1．1 軟硬件系統(tǒng)及工藝的研發(fā)

自2013年開始，華中科技大學(xué)工程管理研究所丁烈云教授團(tuán)隊對3D打印水泥砂漿砌體技術(shù)進(jìn)行了研究，開展了BIM三維數(shù)字建模、算法研究、數(shù)控程序生成系統(tǒng)構(gòu)建、三維打印裝置開發(fā)、水泥及石膏漿體打印試驗等多項研究工作。團(tuán)隊研究開發(fā)的建筑三維打印裝置系統(tǒng)包括數(shù)控裝置、驅(qū)動裝置及材料供給裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)利用水泥砂漿或石膏等材料、尺寸在1m×1m以內(nèi)簡單構(gòu)件的打印(圖16);提出了基于掃描線的噴嘴二維路徑填充算法，開發(fā)了基于三維模型的數(shù)控程序生成系統(tǒng);申請了專利《一種基于BIM建筑模型的水泥砂漿砌體自動建造裝置及其工作方法》［22］。

16建筑三維打印裝置系統(tǒng)及3D打印水泥砂漿構(gòu)件

2015年，研究團(tuán)隊研發(fā)了第二代用于混凝土打印的建筑三維打印裝置系統(tǒng)(圖17)，相比第一代，主要有以下幾個方面的改良:(1)機(jī)械設(shè)備尺寸更大，能夠?qū)崿F(xiàn)2m×2m的構(gòu)件打印;(2)泵送系統(tǒng)改善，實現(xiàn)細(xì)骨料(主要為細(xì)砂)混凝土構(gòu)件打印;(3)驅(qū)動模塊提高運動穩(wěn)定性和精度，可調(diào)變速范圍更大;(4)人工拌料送料升級為半自動化送料，泵機(jī)可調(diào)流量范圍更大;(5)驅(qū)動模塊底座裝有輪子，增強(qiáng)了靈活性和工地打印可行性。

17第二代建筑三維打印裝置系統(tǒng)

3．1．2 打印構(gòu)件及材料的研究

2014年，清華大學(xué)土木工程安全與耐久實驗室的馮鵬等人采購了美國Z Corporation公司生產(chǎn)的3D打印機(jī)(型號Spectrum Z510)，以石膏硬化體為例，研究了工程結(jié)構(gòu)中可能采用的粉末和液體混合膠凝體系的3D打印結(jié)構(gòu)的細(xì)觀特征和力學(xué)性能。通過觀測打印成品，顯示出此類3D打印制品具有整體分層、層內(nèi)分線、正交各向異性的細(xì)觀結(jié)構(gòu);通過打印出的立方體抗壓(圖18)、棱柱體抗折等試驗獲得了其力學(xué)性能參數(shù)，并提出了相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型［23］。

圖18 3D打印立方體沿Z軸受壓破壞［23］

2014年，上海交通大學(xué)土木工程系的范詩建等人對3D打印建筑的材料進(jìn)行了相關(guān)研究，根據(jù)磷酸鹽水泥具有快硬、早強(qiáng)、粘結(jié)強(qiáng)度高和良好的生物相容性等特點，指出其切合3D打印技術(shù)對于打印基材的需求。通過基于磷酸鹽水泥技術(shù)性能研究，分析了磷酸鹽水泥在3D打印基材中的應(yīng)用特性及其所面臨的問題，設(shè)計了適用于磷酸鎂水泥干拌法打印的送粉打印噴涂裝置［24］。

3．2 由建筑設(shè)計理論驅(qū)動的數(shù)字建造研究

湖南大學(xué)建筑學(xué)院教授胡骉等人從2009年開始對數(shù)字設(shè)計建造進(jìn)行了相關(guān)探索，成立了數(shù)字建筑實驗室(DAL)，以每年主題豐富的數(shù)字建造工作營形式，探索建筑數(shù)字化課程的教學(xué)模式，幫助學(xué)生逐步了解數(shù)字建筑設(shè)計建造的理論與方法，體驗從數(shù)字設(shè)計到數(shù)字建造的全過程［25］，圖19展示了2011年工作營學(xué)生數(shù)字設(shè)計建造的雨棚方案。

圖19 學(xué)生數(shù)字設(shè)計建造的雨棚［25］

自2011年開始，同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院的袁烽等人從建筑學(xué)角度對數(shù)字建造技術(shù)對建筑設(shè)計建造發(fā)展的影響與意義進(jìn)行了研究［26］。在建筑設(shè)計方面，引入了“參數(shù)化設(shè)計”等概念;在建筑新材料方面，討論了過度型材料等多種新型分類材料的適用性;在工作模式方面，提出了數(shù)字模塊化建造、基于BIM平臺的協(xié)同工作模式。研究中心引進(jìn)了國外的KUKA機(jī)械臂、5軸CNC數(shù)控機(jī)床、激光切割機(jī)、3D打印機(jī)、激光粉末打印機(jī)等多種數(shù)字化裝備對數(shù)字建造產(chǎn)品的建筑美學(xué)、性能等方面進(jìn)行實踐驗證［27～29］，如圖20所示。

圖20 新型數(shù)字設(shè)計研究中心內(nèi)部及數(shù)字建造的生態(tài)墻面［27，29］

2013年，清華大學(xué)建筑學(xué)院于雷博士從方案概念設(shè)計、結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計、加工及施工配合等方面論述了3D打印技術(shù)具有的針對建筑師與建筑方案間的動態(tài)交互性對現(xiàn)代建筑設(shè)計過程帶來的極大益處［30］。2014年，通過上海數(shù)字未來暑期國際工作營運用機(jī)器臂(德國KUKA機(jī)器臂，見圖21)進(jìn)行空間3D打印的建筑實例，討論、驗證了仿生設(shè)計、材料性能的拓展及數(shù)字建造3D打印技術(shù)的運用對現(xiàn)代建筑設(shè)計的重要性［31］。

圖21 機(jī)器臂仿生打印蜘蛛絲空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［31］

3．3 以技術(shù)研究應(yīng)用綜述和相關(guān)理論為主的研究

2014年，同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點實驗室蔣正武教授等人對國內(nèi)外3D打印混凝土技術(shù)及其材料、施工的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了討論，指出了其在原材料、配合比理論、軟件、成型高度等方面存在的問題，并就材料、配套軟硬件、打印工藝等方面的未來研究提出了方向［32］。

2014年，同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院陶雨濛等人介紹了3D打印技術(shù)的發(fā)展概況和主要產(chǎn)品技術(shù)特點，對其在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行預(yù)測，包括制作復(fù)雜節(jié)點和構(gòu)件，特殊形狀的澆鑄模具和施工模板及高延性抗震耗能構(gòu)件，促進(jìn)自由形式建造等智能化建筑施工技術(shù)等方面［33］。

2014年，天津大學(xué)李志國等人對建筑3D打印的打印方式、材料性能、力學(xué)結(jié)構(gòu)、保溫絕熱、施工操作等方面進(jìn)行了研究，指出了其在材料固化養(yǎng)護(hù)、泵送提升、與預(yù)制工藝組合、結(jié)構(gòu)節(jié)點等問題［34］。

2014年，武漢大學(xué)宋靖華等人對3D建筑打印相關(guān)文獻(xiàn)資料和實例進(jìn)行梳理、匯總，以打印材料為依據(jù)，將目前的建筑3D打印技術(shù)分為三類:以細(xì)骨料和膠凝料為打印材料、以混凝土為打印材料和以纖維尼龍為打印材料等［5］。

2014年，北京工業(yè)大學(xué)王子明等人闡述了3D打印在建筑領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用，指出3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［35］。

3．4 企業(yè)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究

從2002年開始，上海盈創(chuàng)裝飾設(shè)計工程有限公司前后用了12年時間，自主研發(fā)了150米×10米×6．6米的巨型3D打印機(jī)、打印油墨和連續(xù)打印技術(shù)。盈創(chuàng)的“油墨”為一種由砂石、改良水泥與玻璃纖維制成的新型石材，其核心技術(shù)是保證了油墨在堆疊的過程中不會坍塌，且油墨的凝固時間與機(jī)器的打印時間保持一致。盈創(chuàng)公司打印建造實體房屋的思路是先打印結(jié)構(gòu)墻體而后進(jìn)行拼裝成型(見圖22)，已經(jīng)于2014年4月成功打印出10幢3D打印建筑，作為當(dāng)?shù)貏舆w工程的辦公用房。近日，盈創(chuàng)公司成功采用3D打印技術(shù)建造出全球首個完整別墅和5層高的樓房［36～38］。

圖22 盈創(chuàng)公司打印的結(jié)構(gòu)墻體［36］

近兩年來，萬科企業(yè)股份有限公司計劃將與美國宇航局(NASA)合作研究3D打印房屋建筑，通過機(jī)器人控制全過程，自動化生產(chǎn)房屋。其合作的3D打印建筑主要工藝是噴擠砂漿、分層建造。根據(jù)萬科的計劃，研究時間為3年左右，10年之后將推廣投入到行業(yè)生產(chǎn)一線。目前，未見萬科在建筑3D打印方面的明顯研究應(yīng)用成果［39］。

3．5 國內(nèi)研究應(yīng)用現(xiàn)狀評述

從上文可見，本文對國內(nèi)高校研究現(xiàn)狀的三種分類反映了不同高校的研究內(nèi)容與方法。綜合上述的高校研究可以看出兩種不同的研究角度，一種是從工程學(xué)角度對數(shù)字建造技術(shù)本身的關(guān)鍵性問題如機(jī)械、材料問題等進(jìn)行研究，如華中科技大學(xué)丁烈云、清華大學(xué)馮鵬等人;另一種是從建筑學(xué)角度對數(shù)字建造技術(shù)帶給建筑設(shè)計新的邏輯、理論與工作模式等展開探索，如清華大學(xué)于雷、同濟(jì)大學(xué)袁烽等人。這實質(zhì)上反映了工程師和建筑師在研究數(shù)字建造技術(shù)時的不同側(cè)重點。

企業(yè)界偏向于建筑3D打印數(shù)字建造技術(shù)的行業(yè)化應(yīng)用探索。盈創(chuàng)科技耗費十多年時間研發(fā)的巨型3D打印機(jī)及其打印的實體房屋建筑為建筑3D打印技術(shù)行業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了重要的基礎(chǔ)。然而，距離真正實現(xiàn)技術(shù)行業(yè)化全面應(yīng)用還有不少問題，包括材料機(jī)械的優(yōu)化、建(構(gòu))筑物的一體化打印工藝、市場及官方的認(rèn)可、國家行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的編制等。

4 研究展望

縱觀國內(nèi)外現(xiàn)有的建筑3D打印數(shù)字建造方法，盡管歐美國家的部分高校已經(jīng)取得了一定的研究成果，但這些研究和應(yīng)用仍然存在一些問題，包括材料、機(jī)械、工藝、數(shù)控等方面。綜合上文的總結(jié)與歸納，本文提出以下幾個研究思路和展望。

(1)材料理論及新材料研發(fā)

建筑3D打印數(shù)字建造技術(shù)對材料的要求比傳統(tǒng)方法更加嚴(yán)格。以混凝土材料為例，包括拌合配置時的和易性、噴擠時的流塑性、凝固堆積的自穩(wěn)定性，以及硬化后的強(qiáng)度、剛度和耐久性等。研究材料的各種性能以建立數(shù)字建造材料理論，來支撐多種不同材料的設(shè)計、制備以及優(yōu)化研發(fā)。一個典型的問題是目前分層打印的構(gòu)件表面存在明顯的層次紋理，嚴(yán)重影響美觀。如果能對既有材料進(jìn)行改造或研發(fā)出表面自密實的新型材料(如自愈混凝土)將能很好解決這個問題。

(2)機(jī)械設(shè)備及工藝改良

面對大型構(gòu)件在工地現(xiàn)場的自動建造，建筑3D打印的機(jī)械設(shè)備既要具備足夠的尺度，又要便攜可拆卸、輕質(zhì)高強(qiáng)。同時，3D打印裝置的驅(qū)動、輸料模塊的運行性能需進(jìn)一步優(yōu)化，典型的包括機(jī)械臂運動的空間精度、速度、穩(wěn)定性等，以及電子噴嘴的出料速度、穩(wěn)定性、精確度等以及多種材料出料的優(yōu)化改造等。另外，改良現(xiàn)有3D打印裝置使其實現(xiàn)打印、植筋、安裝管線、提升泵送、表面整平、養(yǎng)護(hù)噴漆、與預(yù)制組合等工序在內(nèi)的全過程建造工藝，將具有非常重要的意義。

(3)軟硬件協(xié)同和智能化控制研究

對比實際打印構(gòu)件或結(jié)構(gòu)與理論設(shè)計模型，往往會產(chǎn)生較大的偏差。因此，建筑領(lǐng)域建模設(shè)計軟件和數(shù)控軟件的接口優(yōu)化、信息無縫傳遞，以及數(shù)控軟件對硬件裝置的精確控制研究都是必要的。再者，在基于自動化控制的自動建造的基礎(chǔ)上進(jìn)行智能化建造研究，為控制系統(tǒng)添加人工智能，智能識別模型設(shè)計意圖，同時在驅(qū)動模塊和輸料模塊中安裝傳感器，將打印過程中的動態(tài)信息實時反饋給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整打印的速度、精度等實現(xiàn)智能化建造。

(4)3D打印構(gòu)件及結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究

3D打印方法突破了材料的自然形態(tài)，其打印構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能較傳統(tǒng)方法發(fā)生了一定的變化。盡管部分高校對3D打印構(gòu)件的材料力學(xué)性能進(jìn)行了一定的研究，如拉夫堡大學(xué)的混凝土立方體構(gòu)件原位剝離試驗、清華大學(xué)的立方體抗壓抗折試驗，但涉及整體結(jié)構(gòu)和局部(如梁柱等)節(jié)點力學(xué)性能的研究則相對較少，有待進(jìn)一步研究。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合施工工藝進(jìn)行力學(xué)仿真對比分析，建立3D打印結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型庫，進(jìn)而形成整個結(jié)構(gòu)體系，配合工藝體系進(jìn)行應(yīng)用。

(5)技術(shù)適用性及工作模式研究

國外三類技術(shù)方法的適用范圍不盡相同。例如，混凝土分層噴擠疊加的方法適用于水平曲線化承重墻體的建造，而砂石粉末分層粘合疊加的方法則適用于個性化異型建筑或觀賞性雕塑的建造。因此，技術(shù)適用性研究是必要的。另外，將BIM技術(shù)與建筑3D打印技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建基于BIM的協(xié)同工作模式。建筑師或工程師可以將設(shè)計好的BIM模型直接打印出縮小的模型，使得建筑師(工程師)們對設(shè)計方案有具體的實體感知，以及時對方案進(jìn)行修改，最終打印出足尺建筑。

(6)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系研究

目前，國內(nèi)外已有若干種技術(shù)流派，但每種技術(shù)流派各自為營，為了使建筑3D打印數(shù)字建造技術(shù)成熟化應(yīng)用，研究制定一整套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系是必要的。在每類建筑3D打印技術(shù)的使用材料、機(jī)械、工藝、產(chǎn)品性能、構(gòu)造形式、適用范圍、資源配置、費用能耗等方面充分研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合基于BIM的協(xié)同工作模式及綠色建造技術(shù)評價方法研究構(gòu)建建筑3D打印數(shù)字建造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，以致形成建筑行業(yè)在建筑3D打印數(shù)字建造模式下新的生產(chǎn)關(guān)系和行業(yè)生態(tài)。

(7)社會經(jīng)濟(jì)效益評價研究

建筑3D打印數(shù)字建造技術(shù)作為一種新的建造手段逐漸受到了行業(yè)內(nèi)外的關(guān)注，其發(fā)展至今僅有十多年的時間，目前主要還處于技術(shù)工藝的研究探索階段，離大范圍的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有不小的距離。但可以肯定的是，當(dāng)它的技術(shù)發(fā)展成熟之后，其社會經(jīng)濟(jì)效益的評價及相關(guān)研究將是必不可少的，如碳排放統(tǒng)計、資源能耗分析、造價測算等，這些可以反過來促進(jìn)技術(shù)本身的發(fā)展。

5 結(jié)論

本文通過對建筑3D打印數(shù)字建造技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的梳理和歸納，得到如下結(jié)論:

(1)建筑3D打印數(shù)字建造技術(shù)將建筑形式、材料和結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行高度整合，揭示了一種嶄新的設(shè)計邏輯和建造模式，數(shù)字設(shè)計與建造的無縫連接有機(jī)地打破了建筑與結(jié)構(gòu)之間的屏障，展現(xiàn)了未來數(shù)字設(shè)計建造模式下一種全新的建筑生態(tài)關(guān)系，代表了未來建筑數(shù)字化發(fā)展的方向。

(2)國內(nèi)外目前的建筑3D打印以需求為導(dǎo)向的研究可以分為兩大類:一類是代替人工面向大型構(gòu)件、房屋建筑物或構(gòu)筑物的自動化建造，此類研究因建造體量大而要求大尺寸的機(jī)械設(shè)備，對材料的力學(xué)性能要求較高而建造附加值較低;另一類是面向建筑雕塑、異型個性化構(gòu)件的制造與探索，此類研究對機(jī)械設(shè)備的尺寸要求不高，注重材料與建筑形式結(jié)合的觀賞性，附加值較高。

(3)總體來說，目前，建筑3D打印數(shù)字建造技術(shù)的研究還剛剛起步，技術(shù)本身尚存在許多問題還沒得到有效解決，距離真正應(yīng)用于房屋建筑、甚至高層或超高層建筑的建造還有較大的差距。另外，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和社會經(jīng)濟(jì)效益評價方面基本處于空白，需等到技術(shù)工藝發(fā)展成熟、機(jī)械材料成本得到有效控制、被官方和市場認(rèn)可之后才能真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

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Research and Application Review of the Digital Construction Technology of 3D Printing for Construction

DING Lie-yun，XU Jie，QIN Ya-wei
(a．Hubei Engineering Research Center for Digital Construction and Safety，b．School of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

3D Printing was originated in the late 1980s，which is called Additive Manufacturing or Rapid Prototyping．With the introduction of 3D printing technology，digital construction has become the digital development trend of the construction field since the 21st century．This paper reviews the research and applications of 3D printing technologies for construction at home and abroad，and summarizes the current main technologies as three types according to the material and process: additive construction based on concrete layered overlay，additive construction based on sand powder layered adhesive stack and material structure construction by mechanical arm．Finally，several future research orientationsareproposed，includingmaterialdevelopment，machineryandprocess improvement，intelligent control and cooperation of software and hardware，mechanical property of component and structure，technical applicability and mode，technical criterion system and social economic evaluation etc．

3D printing for construction;digital construction;additive construction

TU741．2

A

2095-0985(2015)03-0001-10

2015-06-11

2015-06-29

丁烈云(1955-)，男，湖北洪湖人，教授，博士，研究方向為工程管理信息化、風(fēng)險與安全管理(Email:dly@hust．edu．cn)

徐捷(1991-)，男，福建霞浦人，博士研究生，研究方向為數(shù)字建造技術(shù)(Email:xu_jie@hust．edu．cn)

“十二五”國家科技支撐計劃(2012BAK24B00)