唐 標(biāo) 中國(guó)水利水電第八工程局有限公司

1 前言

近年來，3D打印技術(shù)憑借其快速、綠色、環(huán)保、節(jié)能、節(jié)材、節(jié)約勞動(dòng)力、高精度及自由度大等優(yōu)點(diǎn)，受到制造業(yè)和工程行業(yè)高度重視。3D打印技術(shù)可根據(jù)設(shè)定的程序命令直接打印出實(shí)體建筑物或建筑構(gòu)件，具有建造速度快、無需模板支撐、可個(gè)性化定制、降低材料損耗和建造成本的特點(diǎn)，給建筑和土木工程領(lǐng)域注入了新活力，成為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。

2 3D打印技術(shù)發(fā)展背景

目前，我國(guó)建筑業(yè)主要采用現(xiàn)場(chǎng)施工方式，即搭設(shè)腳手架、支設(shè)模板、綁扎鋼筋和混凝土澆筑等，大部分工作是在施工現(xiàn)場(chǎng)由人工來完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、建筑材料消耗量大、現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的建筑垃圾較多，同時(shí)對(duì)周圍環(huán)境有較大的影響，如揚(yáng)塵、噪聲等，且勞動(dòng)力成本不斷上漲，施工成本日益增加，因此建筑施工機(jī)械化、自動(dòng)化成為趨勢(shì)。

3D打印建筑技術(shù)是近年來興起的一項(xiàng)新型智能化建造技術(shù)，其是將打印構(gòu)件或建筑物模型利用切片軟件進(jìn)行3D、2D模型的分層處理，生成打印路由程序，然后將配置好的新型混凝土材料利用泵送系統(tǒng)輸送到打印頭，按照打印程序，通過控制系統(tǒng)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)打印頭按照打印路由行走，打印出精確的幾何圖形，通過層層疊加完成混凝土構(gòu)件或建筑物的成型。混凝土構(gòu)件建模打印基本工作流程如圖1所示。

圖1 混凝土構(gòu)件建模打印基本工作流程

建筑3D打印技術(shù)為建筑行業(yè)的發(fā)展與變革帶來了新思路、新格局，在解決困擾傳統(tǒng)建筑施工的環(huán)境污染、資源浪費(fèi)、人力資源短缺等問題上具有強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。3D打印建筑技術(shù)在如今建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型期和“新基建”戰(zhàn)略發(fā)展期，將助力建筑業(yè)“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”轉(zhuǎn)型和升級(jí)。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部頒發(fā)的《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》中講到“積極開展建筑業(yè)3D打印設(shè)備及材料研究；探索3D打印建筑技術(shù)運(yùn)用于建筑模塊、構(gòu)件生產(chǎn)，開展示范應(yīng)用”，建筑3D打印技術(shù)在建筑業(yè)的應(yīng)用，具有改變建筑行業(yè)發(fā)展業(yè)態(tài)的潛力。

3 3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

建筑3D打印技術(shù)作為一種新的建造技術(shù)，理論與實(shí)踐工作者已開展諸多研究，其主要應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)可歸納如下。

（1）推動(dòng)建筑工業(yè)化：3D打印在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠推動(dòng)建筑業(yè)變革和創(chuàng)新發(fā)展。建筑3D打印技術(shù)能夠減少建筑垃圾，也能通過工廠進(jìn)行構(gòu)、部件的批量化生產(chǎn)，在一定程度上推動(dòng)建筑工業(yè)化的進(jìn)程。

（2）促進(jìn)人工智能化：自適應(yīng)自協(xié)調(diào)的群體機(jī)器人智能化打印是建筑3D打印技術(shù)研究的方向之一。目前，BIM與3D打印建筑技術(shù)結(jié)合已應(yīng)用于建筑裝飾工程，在三維建模中展現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件與多曲面構(gòu)造設(shè)計(jì)方案的效果，并通過3D打印出實(shí)體構(gòu)件模型，直觀、快速地表達(dá)設(shè)計(jì)方案。

（3）實(shí)現(xiàn)建筑數(shù)字化：建筑學(xué)科的發(fā)展離不開建筑技術(shù)創(chuàng)新，創(chuàng)新需要人才，相關(guān)研究關(guān)注了人才培養(yǎng)，同時(shí)建筑3D打印技術(shù)寄托了建筑人士將其作為建筑數(shù)字化發(fā)展的期待。

（4）推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展：建筑3D打印技術(shù)有著節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)在能很大程度上利用并減少建筑垃圾、減少施工浪費(fèi)與節(jié)約建筑材料上。目前隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，圍繞BIM技術(shù)、3D打印技術(shù)以及裝配式建筑技術(shù)融合創(chuàng)新進(jìn)行研究，可建筑業(yè)朝著高效、綠色和安全的方向發(fā)展。

4 3D打印技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用案例分析

4.1 工程概況

本項(xiàng)目為某產(chǎn)業(yè)園傳達(dá)室，建造方式采用3D混凝土打印。此傳達(dá)室主要功能為看門、登記、引導(dǎo)來賓等，設(shè)計(jì)場(chǎng)地尺寸為5.4m×8.6m，建筑面積在10m2～15m2左右，建筑高度控制在3m～3.6m內(nèi)。對(duì)于建筑造型的設(shè)計(jì)，要基于3D混凝土打印的特性，并最終體現(xiàn)出3D混凝土打印較于傳統(tǒng)混凝土建造方式的優(yōu)勢(shì)。

4.2 設(shè)計(jì)思路

基于3D混凝土打印特性分析和造型生成研究，利用其打印優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)一個(gè)自由曲面建筑?？紤]到傳達(dá)室本身的設(shè)計(jì)要求，把南北兩面的墻體和屋頂設(shè)計(jì)為一體化的曲面形體，直接打印拼裝形成建筑主體，東西兩面設(shè)為虛的面，形成虛實(shí)結(jié)合的建筑形體。在平面布局上，將出入口設(shè)置在東面，考慮到造型和結(jié)構(gòu)上的需求，保留南面墻體的整體性，把接待窗口布置在西面。

此設(shè)計(jì)主要通過曲線放樣成面和曲面切割形體來實(shí)現(xiàn)，將設(shè)置好的曲線放樣生成曲面，并偏移得到墻厚200mm的形體，使用與其近似相切的曲面切割形體得到傳達(dá)室主體部分，同時(shí)將建筑西立面和形體生成中得到的切割面設(shè)置為玻璃面，得到傳達(dá)室最終造型形式。

整個(gè)建筑形體尺寸約為4500mm×3500mm×3200mm，為配合形體造型，東立面選用曲面玻璃和普通玻璃兩種，其中門的開啟處用普通玻璃，同時(shí)，玻璃與墻體交接邊界使用曲線元素來完成整個(gè)自由曲面形體的造型設(shè)計(jì)。

考慮到本設(shè)計(jì)的形式采用了屋頂和墻體一體化，并將其作為承重結(jié)構(gòu)，因此利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)建筑主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。采用solid65實(shí)體單元將待分析模型劃分好網(wǎng)格，在模型底部施加固定約束，同時(shí)對(duì)模型添加垂直向下的重力，求解分析結(jié)果顯示最大應(yīng)力為3.04MPa，遠(yuǎn)小于混凝土材料的強(qiáng)度極限，由此可看出該建筑主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠承重，符合要求。

4.3 打印參數(shù)

此傳達(dá)室項(xiàng)目選用3D混凝土打印為建造方式，由于合作單位的打印機(jī)可打印物品最大尺寸為2900mm×2900mm×1500mm和2800mm×2200mm×1800mm兩種，因此，需要將建筑主體切分成模塊進(jìn)行打印?；诳纱蛴〕叽绲南拗?，將打印主體分割為平均尺寸為2000mm×200mm×1500mm的12個(gè)模塊，并將其按位置進(jìn)行編號(hào)。

基于3D打印要求，構(gòu)件能打印最基本的條件是要至少保證有一個(gè)平面來作為打印時(shí)的基底面，所以將拆分的打印模塊翻轉(zhuǎn)方向來進(jìn)行打印。而對(duì)構(gòu)件打印可行性有影響的主要為構(gòu)件的單層最大偏移量等因素，因此，對(duì)每一個(gè)打印模塊的單層最大偏移量利用Grasshopper和Rhino平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合打印試驗(yàn)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行預(yù)判斷，預(yù)估其能否成功打印。每個(gè)模塊的計(jì)算結(jié)果顯示，單層最大偏移量一般在2mm左右，偏移最大也小于3.5mm，而在3D混凝土打印試驗(yàn)的結(jié)果表明，構(gòu)件可偏移量在4.5mm左右，因此所有模塊都是在可打印范圍內(nèi)的。

4.4 施工建造

項(xiàng)目建造時(shí)，主要步驟如下：設(shè)計(jì)圖紙→結(jié)構(gòu)體打印配橫向筋→構(gòu)造柱置筋→現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件裝配→完成主體裝配→現(xiàn)澆構(gòu)造柱→做屋頂防水→裝門窗交付。

項(xiàng)目主要涉及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造位置有打印構(gòu)件間的連接、墻體與地板的連接和門窗與墻體的連接三種。兩個(gè)構(gòu)件連接時(shí)，在豎向連接時(shí)主要用砂漿拼接在一起，而在橫向連接時(shí)，構(gòu)件打印時(shí)在端部流出凹槽，通過在凹槽處現(xiàn)澆混凝土利用類似榫卯的節(jié)點(diǎn)連接在一起，并在構(gòu)件間添加橫向鋼筋提高其強(qiáng)度。對(duì)于墻體與地板的連接，其原理類似于構(gòu)件間的節(jié)點(diǎn)，采用預(yù)留空間和鋼筋的方式通過現(xiàn)澆混凝土連接。在門窗與墻體連接時(shí)，打印時(shí)預(yù)留出門窗孔洞，然后通過螺栓、自攻釘?shù)葘㈤T窗框與主體結(jié)構(gòu)連接在一起，最后再安裝玻璃。

為了使此項(xiàng)目更具特色，將與傳達(dá)室連接的圍墻部分設(shè)計(jì)為基于正弦曲面的3D混凝土打印模塊堆砌的參數(shù)化墻體，基本砌塊尺寸為300mm×300mm×300mm，添加隨機(jī)變量之后每個(gè)砌塊都不一樣，既能體現(xiàn)出3D混凝土打印的個(gè)性化建造同時(shí)也能呈現(xiàn)出其能打印任何幾何形狀的能力。每個(gè)砌塊單獨(dú)打印，其最大偏移量在9.1mm左右，雖然偏移量較大，但是由于砌塊本身尺寸很小，上層對(duì)下層的即時(shí)承重能力要求較小，且不連續(xù)偏移時(shí)單層可最大偏移量在10mm左右，因此，這些砌塊還是在可打印的范圍內(nèi)的。砌塊打印完成后，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)通過砂漿對(duì)其組裝成整體即可。

5 3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用難點(diǎn)與研究方向

建筑3D打印作為一種新技術(shù)，在材料性能要求、設(shè)備性能與材料匹配性等方面有眾多問題有待解決，如何在保證混凝土材料的流變性和可塑性的前提下，將其快速、均勻的攪拌、泵送、擠出，并打印成型，同時(shí)滿足建筑物各方面性能要求，是目前需要解決的主要問題。

5.1 應(yīng)用難點(diǎn)

建筑3D打印技術(shù)的應(yīng)用難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）目前水泥砂漿是建筑3D打印的主流選擇，具有顆粒度大、流動(dòng)性差等特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行在線測(cè)量流量、流速、自動(dòng)控制調(diào)節(jié)閥門等精細(xì)化控制較難實(shí)施。

（2）建筑3D打印材料易凝固堵料，導(dǎo)致供料系統(tǒng)易故障，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)供料較難。

（3）現(xiàn)有建筑3D設(shè)備自動(dòng)化、智能化程度較低，目前打印過程中人工輔助工作量仍需進(jìn)一步減少，降低人力、物力的耗費(fèi)。

（4）現(xiàn)有設(shè)備使用限制性較大，設(shè)備尺寸限制打印構(gòu)件尺寸、打印對(duì)象限制設(shè)備形式、打印材料限制設(shè)備選型等。

（5）現(xiàn)有打印材料的泵送裝置、擠出裝置及打印工藝后期清洗技術(shù)尚未成熟，若未能高效地清洗干凈打印頭噴嘴內(nèi)部而導(dǎo)致部分打印物料殘留淤積，輕則影響后續(xù)打印過程中的成型質(zhì)量，重則直接導(dǎo)致裝置堵塞及損壞。

（6）3D打印建筑尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，導(dǎo)致技術(shù)應(yīng)用推廣受限，多以示范工程為主，尚未作為正式的施工技術(shù)進(jìn)入建筑市場(chǎng)。

5.2 研究方向

5.2.1 打印材料方面

材料技術(shù)是建筑3D打印最重要的技術(shù)之一。研究材料性能以及某種材料的工藝方法，是建筑3D打印的關(guān)鍵和根本。并且材料學(xué)與3D打印技術(shù)相互促進(jìn)、相輔相成。一方面，材料性能關(guān)系到建筑質(zhì)量和安全，從材料性能入手研究打印材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)等的力學(xué)性能，能保證建筑物的安全性并形成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系；另一方面，對(duì)于低成本打印材料的研究，也是材料研究的一個(gè)方向。建筑3D打印推廣遇到的問題之一就是成本，研究低成本材料，讓變“廢”為“寶”成為現(xiàn)實(shí)，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

5.2.2 打印設(shè)備方面

原位打印是建筑3D打印施工工藝追求的目標(biāo)，因此，支持原位打印的通用設(shè)備原位打印機(jī)的研究是未來研究的一個(gè)方向。異型建筑，古建筑的修復(fù)，個(gè)性化以及美觀等都要求打印設(shè)備的靈活性和便捷性。建筑3D打印機(jī)是3D打印機(jī)在建筑領(lǐng)域的一個(gè)應(yīng)用和延伸，但由于建筑業(yè)本身帶有的行業(yè)特色，對(duì)3D打印機(jī)的要求比打印其他物件更高。因此，開發(fā)專業(yè)新型的3D建筑打印機(jī)以及相應(yīng)的軟件體系，打造滿足不同類型建筑建造需求的設(shè)備體系，就顯得尤為重要。打印建筑需要的材料不僅要有較好的打印性能，如流動(dòng)性，同時(shí)要滿足建筑需要的抗拉、抗彎和抗裂等性能。因此需要研究建筑打印材料，使其多樣化、系統(tǒng)化，更好地滿足實(shí)際建筑項(xiàng)目的需要。3D建筑打印機(jī)、打印材料與3D打印技術(shù)互相促進(jìn)、相輔相成。打印設(shè)備、材料的研究是3D打印技術(shù)研究和發(fā)展的關(guān)鍵，同時(shí)3D打印技術(shù)的發(fā)展又對(duì)打印設(shè)備和材料的研究產(chǎn)生重要影響。

5.2.3 專業(yè)人才培養(yǎng)

3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，雖然受到國(guó)家政策的大力支持，但大眾對(duì)其安全性的接受和認(rèn)可還有待提高。建筑3D打印涉及到材料、設(shè)備、設(shè)計(jì)等眾多參與方，都需要專業(yè)化的人才，加之3D打印建筑技術(shù)還未完全成熟，許多新興領(lǐng)域研究力度不夠，難以獨(dú)成體系，例如非金屬材料、物聯(lián)網(wǎng)等，因此需要專業(yè)人才的培養(yǎng)。

6 結(jié)束語

綜上所述，3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用，本質(zhì)是一種數(shù)字化、自動(dòng)化建造技術(shù)的初步應(yīng)用。由于3D打印技術(shù)仍處于初級(jí)探索階段，其對(duì)于建筑材料的要求比較高，而且不能對(duì)打印過程進(jìn)行更改，因此，現(xiàn)有3D打印技術(shù)并不能完全應(yīng)用到建筑施工之中。隨著進(jìn)一步地深入研發(fā)，建筑混凝土3D打印將全面改變建筑施工模式，進(jìn)一步推動(dòng)綠色建造、智能建造的步伐。