3D建築列印技術研究綜述

OFweek3D列印網訊 在建築行業，3D列印技術順應產業革命的發展，將使大規模的個性化生產成為可能，逐步實現快速建造和產業化生產，並會創造出大量的傳統工藝無法生產的新型材料，這將會帶來全球製造業經濟的重大變革。儘管過去20年裡已經開發了一些快速成型的方法，且在很多領域已經有了基於這類方法的成功應用實踐（包括工業加工、醫療、玩具製造等），這些擴展應用的成果為3D建築列印技術提供了良好的研究基礎，但國內外目前研究3D建築列印的專家學者並不多，大多數分層製造方法受限於可用建築材料的匱乏。

1 3D建築列印的相關概念

3D建築列印是利用工業機器人逐層重複鋪設材料層構建自由形式的建築結構的新興技術，這種工藝原理叫做增材製造，通過逐層累積最終形成一個成品。其構成和傳統印表機基本一樣，都是由控制組件、機械組件、列印頭、耗材和介質等架構組成的。根據電腦上設計的完整的三維模型數據，通過一個運行程序將材料分層列印輸出並逐層疊加，最終將計算機上的三維模型變為建築實物。一個房子或者一群房子，即使每幢建築形態各異，都可以通過一個運行程序來自動構建。

與傳統施工工藝相比，3D建築列印技術的優勢主要有：

①施工速度至少要快10倍，且建築類型、複雜性等因素不會增加建設成本；

②由於全程由電腦程序操控，直接基於CAD設計等的施工建造只產生5~10mm的誤差，該技術允許的精度和設計自由性在過去聞所未聞，建築師和工人間的問題將不再阻礙建築師所要表達的設計想法；

③不需要模板，定製型強，可塑性好，可列印出任何細節特點與複雜曲面、管道等；

④可以使消費者根據自己的需求量身定製產品；

⑤無需人工干預意味著建築行業傷亡事故風險的大幅減少，大量節省人員勞工，且用於建築施工的安全措施費降低；

⑥可以就地取材，極大節省建造的運輸成本；

⑦由於是整體結構成形，建築抗震性能大大增強；

⑧可以適應惡劣環境，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境下進行施工建造；

⑨可以運用於 古文物保護中，精準恢復古建築的殘損、遺失部分；

⑩可以降低建築粉塵污染，減少霧霾，保護環境實現綠色環保。

2 3D建築列印工藝研究現狀分析

2.1 國外研究現狀

（1）D-Shape列印工藝及應用

2010年，義大利籍Enrico Dini教授發明了世界上第一台以細骨料和膠凝料為列印材料的數字印表機，名為D-Shape，可以用建築材料列印出高4m的建築物。這台印表機的底部有數百個噴嘴，可噴射出鎂質黏合物，在黏合物上噴撒沙子可逐漸鑄成人造砂岩，通過一層層的黏合物和沙子結合，將沙子粘成像岩石一樣堅固的固體，並形成特定的形狀，最終形成石質建築物（圖1~4）。

圖1 石質建築物一

D-Shape印表機沿著龍門架支撐的軸梁在x、y軸上往返移動，印表機噴頭每列印一層時僅形成5～10mm的厚度。印表機操作可由電腦CAD-CAM軟體操控，建造完畢后建築體的質地類似於大理石，比混凝土的強度更高，並且不需要內置鋼筋進行加固。 目前，這種印表機已成功地建造出內曲線、分割體、導管和中空柱等建築結構。由此不難看出，普通的水泥混凝土可能已經不能適應建築3D列印技術的需要，混凝土組成材料和攪拌方式均需改變，以適應3D建築列印技術的需要。

圖2 石質建築物二

恩里科?迪尼表示，這種印表機比常規建築方法要快得多，而且所使用的原料也只有原來的1/3到1/2，更重要的是幾乎不會產生任何廢棄物。Enrico Dini稱，他已經在和建築大師諾曼?福斯特、阿爾塔空間公司等進行討論，希望能設計出一種可以 使用月球土壤的印表機，屆時在月球上就可以使用這種印表機快速地建造出人類的月球基地。

圖3 石質建築物三

D-Shape印表機已經參與了多項3D列印房屋項目，其中包括正在爭奪「世界上第一幢3D列印的住房」名頭的「Landscape House」模擬莫比烏斯環（圖5）。2013年1月，該項目由荷蘭阿姆斯特丹建築大學的建築設計師JanjaapRuijssenaars設計，該工程預計在2014年完成，並且將參加Europan競賽。

圖4 石質建築物四

這裡「D-Shape」印表機先用沙和無機粘合物對建築框架進行逐塊列印，每一塊的尺寸都達到了6m×9m， 然後組裝到一起，再用纖維增強的水泥材料對框架進行填充，最終完成一幢兩層房屋的建造。JanjaapRuijssenaars嘗試了混凝土列印複雜曲線形體，並且嘗試了傳統技術和新的3D列印技術相結合，例如端牆為玻璃和鋼結構，且地板、側牆和天花板組成箱體結構讓這個結構變得更堅固。

（2）建築輪廓工藝及應用

南加州大學的BehrokhKhoshnevis教授的建築輪廓列印方法是一種基於混凝土的自動化施工方法。2004年，該項技術就已經能夠「列印」出5英尺（約合1.52m）長、3英尺（約合0.91m）高、6英寸（0.15m）厚的建築部件。2012年，BehrokhKhoshnevis教授表示輪廓工藝列印出來的牆是空心的，其間布置桁架狀構造（圖6），這樣不但大大減輕了建築本身的重量，而且還可讓空隙處填充保溫材料，讓其成為整體的自保溫牆體。同時預留「梁」與「柱」澆築的空間，並處理各種基礎設施管道和電氣布置。

圖5 Landscape House

目前，該工藝可以做到24小時內列印出大約232m2的兩層樓房。輪廓設計（CC）是一種計算機自動施工方法，它能提供快速生產，顯著減少浪費，大量地節省成本。要在月球上 長時間停留，需要足夠的輻射防護措施，這取決於能否在月球上建造結構，最好是能利用月球的資源並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的概念設計，可以利用基於月壤的高強混凝土（包括玻璃增強桿或從表層土中提取的纖維）在月球表面自動完成整體結構建造。

圖6 輪廓工藝列印出的牆體

輪廓工藝有兩種列印方法：

一種方法是用一個大型龍門機器人完成每一層的列印任務，然後把各層疊加起來構建整個房子（圖7~8），但這種方法需要大量的預備場地和一個大型超級機器人。

另一種方法是同時使用多個移動機器人進行協調運作。採用移動機器人方案有幾個優點，包括便於運輸和安裝、并行施工和可擴展設備數量。

牆體結構可採取多種空腔牆體形式，適應於印表機器人的快速運作，創造出完全不同於傳統牆體形式的新的節能、 高強的牆型材，並節省更多的材料。 相比於傳統的建造方式，輪廓工藝可以節省相當多的時間和成本。

圖7 輪廓工藝大型龍門機器人施工方案

建造成本取決於機器所消耗的時間和能源。總工程量可以通過已知的列印路徑來計算，先把建築分割成若干層，然後再把每一層轉換為一個由邊線和頂點組成的模塊。列印的軌跡優化配合程序優化，路徑優化和印表機速度的提升在降低列印時間上很有潛力。針對不同環境和受力要求的牆體，採取有針對性的、不同的牆體形式可以節省更多時間，將印表機擠壓噴頭設置多元化可以提高效率，優化建造模式。

圖8 輪廓工藝移動機器人施工方案

（3）尼龍纖維激光燒結工藝及應用

在英國，Softkill Design正著手使用3D列印技術建造大批量民用住房。這些房屋以骨骼架構為原型，以纖維尼龍為結構製作所有的部件需要三個星期，組裝起來則只需要一天。這種3D列印房屋概念將是房屋建造的革命性改變，甚至能夠最終 解決英國住房危機。2012年，倫敦設計工作室Softkill Design 的設計師們運用3D印表機列印出了一個1：33比例的房子模型 ProtoHouse1.0（圖9），它並非採用實牆建造模型，而是採用纖維材料列印而成，外形似如洞穴。

圖9 ProtoHouse1（1：33模型）

ProtoHouse1.0共分30節段列印，各房屋組件是場外製造的，在3D印表機實驗室使用激光燒結生物塑料，並添加金屬等較堅固的物質製成。列印好之後運送至建築基地拼裝，用尼龍搭扣或者像鈕扣一樣的扣合件進行固定。這種方式比現場採用沙子和混凝土3D列印製造的效果更好。截至2013年3D列印製造的纖維結構只有0.7mm厚。而下一步，在前者的研究和開發的基礎上，將列印出一幢4m×8m的單層建築ProtoHouse2.0。建造3D列印房屋的成本並未公布，但雷特辛表示，伴隨著3D列印行業的快速發展，將逐步降低製造成本，這意味著不久的將來，建造經濟型3D列印房屋將成為現實。

（4）粉末壓實與蒸汽固化工藝

恩斯赫德（荷蘭東部城市）的學者A. Budding在粉末壓實的快速成型技術方面進行了一些研究。在這類特殊設備上的研究，馬里博爾大學的DanijelRebolj提出一種新的建築技術概念，可以在納米級的層次進行施工追蹤。美國華盛頓大學的Ben Utela等在建築3D列印的工藝方面提出了5個步驟：材料配合、粘結劑選擇、粘結配方和測試、列印流程規範、後期處理等。泰國國家金屬和材料技術中心的R. Chumnanklang等研究低成本的水溶性天然高分子粘結劑、羥磷灰石顆粒噴霧乾燥技術在3D列印中的應用。

紐約倫斯勒理工學院機械工程系的Joseph Pegna研究了新的加法製造的3D列印對於建築施工自動化的效果，研究蒸汽固化工藝，評估了這種大型建築結構的固體成型技術的前景。麻省理工學院的史蒂文?基廷等提出了使用機器人技術用複合材料製造和複製的3D列印。英國的拉夫堡大學土木與建築工程學院的T.T. Le 等研究了用3D列印技術通過9mm直徑噴嘴列印逐層累積的結構構件。這不同於傳統的施工，密實分層過程中的混凝土達到很高的拉壓強度。

2.2 國內研究現狀

2014年4月，10幢3D列印建築在上海張江高新青浦園區內展出。這些建築依據電腦設計方案的圖紙，經一台大型的3D印表機層層疊加噴繪而成，整個建築過程僅花費24小時，且其牆體材料用的是處理后的建築垃圾。研發者馬義和表示，其3D列印核心是油墨、噴嘴和材料供應系統。其列印材料的核心技術是以高標號水泥與玻璃纖維為主，依靠自主研發的印表機設備連續線性擠出列印而成，比傳統鋼混建築強度更高。 馬義和的團隊還研發了一種新型生態石材SRC（特種玻璃纖維增強複合水泥），接著又在FRP（纖維增強複合塑料）有所突破。正是這些技術為其3D列印打下良好基礎。值得一提的是，這些3D列印建築原材料通過就地取材，回收附近建築垃圾、工業垃圾和尾礦，通過技術處理、加工、分離，實現建築垃圾再利用。

圖10 上海張江高新青浦園區內展出的3D 列印房屋構架

3D列印技術的發展將使大規模的個性化生產成為可能，並會創造出大量的傳統工藝無法生產的新型材料，這將會帶來全球製造業經濟的重大變革。儘管過去20年裡已經開發了一些快速成型的方法，而且在很多領域已經有了基於這類方法的成功應用實踐，目前大多數分層製造方法受限於可用建築材料的匱乏。此外，它們還嚴重受制於材料的低沉積率，這使得這些方法只能適合小的工業零部件。因此，目前3D建築輪廓列印可以說是唯一適用於建設大型複雜建築的新的建造方法。

綜上所述，雖然國內外學者對3D列印材料有了一定的探索並基於材料特性摸索了相應的列印模式，但是在適應多元材料的列印設備系統和工藝流程系統的研究上顯得較弱，都是各成一家，缺少交流和融合。如Enrico Dini對細沙和鎂基膠的運用，是基於膠凝材料和細骨料混合硬化的的快速成型原理，也因此探索出能夠列印複雜形體的D-Shape列印設備。BehrokhKhoshnevis在混凝土配方材料的快速成型列印技術上研究較多，並探索了多種適合混凝土印表機的屋蓋形狀。其他基於塑料或纖維材料而產生的列印工藝又各不相同，不同材料衍生的不同工藝直接的配合與融合的過程還有待研究。 其次，國內外學者研究建築3D列印已經進入較快的發展階段，研究的初步成果較多，但是缺乏系統、完善的方法體系。現在全世界採用3D列印技術已完成實際建設的項目更是少之又少。

D-Shape印表機和輪廓印表機技術的研究為我們提供了一個很好的參考方法，在這個基礎上，若將3D列印原理和建築結構及材料的關鍵技術問題結合起來，發展新的低成本的3D列印方法體系，不但對於解決全球住房危機和節約能源、環保等問題從而促進社會和諧發展顯得迫切而意義深遠，也會對未來建築業的發展產生重大的影響。