3D打印建筑技术及应用趋势
杨建江，陈响
（天津大学建筑工程学院，天津300072）
[摘要]自动化生产在工业制造领域应用广泛，但是在建筑业却发展缓慢.近年来发展迅猛的3D打印技术使打印建筑物成为可能，从面实现建筑建造自动化.介绍了一种全新的建筑建造技术--3D打印建筑技术，重点介绍了地影响设计和建造的每个环节，颠覆传统的建筑行业.从事建筑行业的人员要格外关注3D打印建筑技术的发展.[关键调】打印建筑技术；3D打印：复合材料：自动化建造：轮廓工艺
[文献标识码】A[文章编号】1002-8498（2015）10-0084-05
[中图分类号]TU201.6：TU74
3DPrintingBuildingTechnology andItsApplicationTrend
Yang Jianjiang Chen Xiang(School f Cil Enginering Tianjin Uniy Tianjin300072 China)
Abstract: Automation is widespread in the field of industry manufacture， but less developed inconstruction industry. In recent years the 3D printing technology develops rapidly，which makes itpossible to print a large building so as to realize the automation of building construetion.This paperdso o q d popou uos u sonfor ‘contour crafting’and ‘D-Shape′. New construction technology spawns construction logic new structure and new building materials which will deeply influences every aspect of design and constructionand subvert the traditional construction industry.Personel engaged in the construction industry should q e o as d
Key words: printing building technology; 3D printing; posite materials; construction automation;contour crafting
机、起重器、混凝土泵送机等工程机械已经很普遍，多国内外学者正研究将3D打印技术运用于建筑自但建筑施工仍然还得依靠大量手工操作和机器设动化建造. 备的操作.自动化生产已经很普遍地运用在工业制造领域，汽车、玩具都能由机器直接制造出来，面施工技术相比工业制造技术来说相对落后，传统的自动化制造工艺很难运用到建筑建造领域.目前，快速成型（RP：rapidprototyping）技术是世界上发展 最快的制造技术，也是近年来增长最快的工业领城之一.而3D打印（3Dprinting）技术作为RP领城的一种新兴技术，近几年，因为3D打印技术的深人研究和打印材料成本逐年下降，3D打印技术开始蓬勃 发展.将3D打印技术应用于建筑建造这是个大胆
从19世纪开始，建筑的施工方法已经开始采用而前卫的想法，传统建造工艺需要许多繁杂的步
13D打印技术简介
快速成型技术诞生于20世纪80年代，3D打印是近年来在民用市场出现的一个新词.3D打印机是集分层制造技术、机械工程、控制及计算机技术、 CAD、逆向工程技术、材料科学于一体的复杂机电一体化系统.简单来讲，3D打印是指通过可以“打印”出真实三维物体的打印机，采用分层加工、叠加成型的方式逐层加材料来最终制造出立体实物.由于具体堆叠的形式有很多种，因此产生了多种3D 打印工艺，每种工艺能够打印的材料类型也不相同，但是基本原理一样，那就是“分层制造，逐层叠加”.常见的成型形式有SLA（激光固化光敏树脂成型）、FDM（熔融挤压堆积成型）、3DP（三维喷涂
料、PC、树脂、金属、陶瓷等，3D打印所用的这些原化.弗兰肯于2000年左右用建筑数字技术完成了并不是普通意义的石膏、塑料、树脂，面原材料的形 态一般有粉末状、丝状、液体状.
3D打印机可打印的材料主要有石膏、尼龙、ABS塑绘制过程，实现了建筑从设计到建造全过程的数控 黏结成型）、SLS（选择性激光烧结成型）等.目前开始就利用计算机进行三维建模，没有传统的图纸材料都是专门针对3D打印而研发的一种新材料，宝马汽车公司一系列展览厅的设计和建造，取得了极大的成功.③数字化控制机器人瑞士苏黎世 联邦理工学院（ETHZurich）（*在教学和研究中引人了用于汽车工业自动化生产线的六轴机器人.机器人通过计算机程序编制代码，用代码指令指挥的这一研究被用于瑞士的甘腾贝恩霍萄园（GantenbeinVineyard）建筑的立面建造.
3D打印又称为“增材制造”，它区别于传统的上，使用切割、磨前、腐蚀、熔融等办法，去除多余部机器人将砖块按照不同的间距和角度砌筑起来.分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终由于机器人工作的精确性，所砌筑的墙面呈现出柔 产品.而“增材制造”与之不同，无需原胚和模具，和的渐变和丰富的光影效果，使传统材料在新工艺直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生条件下获得了前所未有的表现力（见图1）.ETH成任何形状的物体，简化产品的制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本.
得了长足发展，已成为现代模型、模具和零部件制 近年来，3D打印技术发展迅速，在各领域都取造的有效手段，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了一定应用，在工程和教学研究等领域也占有独特地位.在歌美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式，3D打印技 术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件，完成复杂而精细的造型2.
图1ETH的六轴机器人Fig.1 Six-axis robot of ETH
23D打印建筑技术
目前我国在3D打印建筑领域的研究相对落开始研究”自动化建筑”.自动建造系统的先驱意行组装，也不同于用机器人代替人工来完成某道工 后，而早在20世纪70年代，欧美一些发达国家已经利用水泥浇筑，逐层建造房屋的设想.1965年，在叠加工生成建筑的方式，就能直接快速成型整体房筑出了一座12m²，6m高的方格房子.他所发明的区别，只不过是尺度变大了，打印所用材料不同 博洛尼亚（Bologna），他用时60min，成功地用水泥浇屋.从原理上来看，打印房屋和打印其他东西并无“比尼贝壳”以及“比尼庇护所”得到广泛的应用.面已.
3D打印建筑不同于计算机数控加工构件再进
在发展自动化建造的路上，科学家和工程师们还尝试了多种不同的方法：①建筑机器人机器人机器人成为20世纪90年代机器人技术的研究重程和自然科学委员会的资助，在过去4年间，开发出点.机器人不仅把人从单调重复的传统建筑作业中替换出来，提高了工作效率，而且把建设范围扩美国麻省理工大学的设计师NeriOxman将一个机展到人所不适的新场所和新领域”.一些欧美发器人手臂改制成3D打印机，使用“混凝土”作为打筑机器人，如：混凝土喷射机器人、混摄土铺面修整筑事务所（DUS）的建筑师正在利用一台名为机器人、钢梁防火层喷涂机器人、壁面爬行机器人、KamerMaker的大型3D打印机“建造”一栋住宅建隧道钻探机器人、REX机器人挖掘机、钢筋放置机筑-CanalHouse（见图2）：英国的Sofkill Design器人等.②计算机数控技术（CNC）本纳赫弗兰项目、开源建造项目-WikiHouse、打印虚拟体育造领域的技术成果来进行数控设计建造研究，并逐建筑的研究.值得一提的是中国的上海盈创建筑渐形成一种新的建筑潮流开始影响世界.从设计科技有限公司近日在上海展出利用大型3D打印设
近年来3D打印的火爆把公众的视线引人到3D打印建筑的身上.英国拉夫堡大学发起的”自由形一台添材制造机器，它能用混凝土打印大型构件；
备打印出的10间样板房（见图3）.目前南加利福板，在顶上打印出第2层的楼面，直到完成屋顶和外尼亚大学（USC）的贝洛克霍什内维斯（Behrokh部结构的细节.和传统的建造过程类似，墙体建设Khoshnevis）教授发明的“轮廓工艺”（contour完成后安装门窗、添加电气、管道和通信等基础设crafting）和意大利的工程师恩里克蒂尼（Enrico施（见图4）.整个建造过程预计只需20h左右（打Dini)发明的D-Shape是3D打印建筑技术的代表.
图2Canal House组装现场Fig. 2The assembly site of Canal House
图3盈创公司展示的样板房Fig.3 Sample house showed by Winsun Company
2.1轮席工艺（contour crafting）
打印房子.他所发明的“轮廓工艺"[*"是一项通过 从1998年开始，贝洛克教授就一直致力于研究计算机控制的喷嘴按层挤出材料的建造技术，通过打印出建筑轮廊，并对轮廊内部进行填充来实现房屋建造.“打印”设备被安装在龙门吊架上，它在横 梁上能左右移动，而龙门吊架可在设定的导轨上前后移动，“打印”设备通过一个能上下移动的喷嘴挤出半流体的混凝土.将事先设计好的立体模型载人3D打印系统，打印机就能按照模型在建筑场地动伸出，规整混凝土的形状，接着缓缓地逐层叠加 上勾勒出一个整体轮廓，喷嘴附带的两个泥刀会自建筑墙体，而打印机会根据设计模型自动留出门窗的位置.将打印机和用于运输和就位支承梁的机械臂组合起来，它就能自动安装上支撑梁和天花
建造出一幢简单的毛坯房.建造房屋过程中无需使用模板，快硬水泥在浇筑完后可以迅速实现自我承重.
“轮廓工艺”的特点在于喷嘴附带的泥刀能对打印出来的材料进行平整，使之形成较光滑的表 面.未来打印设备进一步升级的话，可以实现安装管道和电气设施，甚至也可以实现在打印的墙体内安装钢筋网（见图5）.“轮廓工艺”的目标是实现整个结构和附属构件的自动化建造.该技术对于建筑师也同样具有吸引力，由于它能建造出单曲率 和双曲率造型的建筑，因此特别受追求自由形式的建筑师的青.轮廓工艺目前尚处于试验阶段，研发团队已经对各种不同的材料成功进行了试验，包括塑料、陶瓷、复合材料和混凝土.目前轮工艺墙体或中空墙体（见图4）. 已经打印出足尺的结构构件，比如内部结构复杂的
图5安装钢施和管道Fig.5 Installing steel bar and pipeline
“轮廓工艺”的另一个潜在用途是用于探索地外环境.美国航天局正在研究在地外星球上建造的可能性，这种利用地外星球原位材料进行建造的建造模式是一个非常可行的方式.近年来科学家 热衷于探索开发月球，如果从地球运输建筑材料到月球建造太空基地，可想而知耗资巨大.而实际上可利用月球表层土作为建造所需的原材料，利用“轮廊工艺”的喷嘴，混合能够发生化学反应凝胶材料，挤出后立刻反应固化.未来也许能见到“轮廊
图4“轮廓工艺”工作示意及打印墙体Fig. 4 Outline technology and the printed wall
工艺”在月球上打印公路和基地.
2.2D-Shape
日（（9）用混凝土为打印材料，D-Shape打印机使用原料主（见图8）.该方案预计能为纽约市节省29亿美元要是砂子.当打印机开始工作时，上千个喷嘴中会的修复费用.D-Shape打印机还能应用于打印水生同时喷出砂子和镁基胶.这种特制的胶水会将砂动植物栖息地，如造型奇特的珊瑚礁，可用来修复子粘成像岩石一样坚固的固体，并形成特定的形水下生态环境.状.打印机从建筑物底部开始，沿着水平轴梁和4 个垂直柱往返移动，逐层往上，每打印一层仅形成5~10mm的厚度.然后只需要按照预先设定的形状一层层喷上这种材料，最终就可以“打印”一个完整的构筑物或者建筑.打印机操作由计算机操控， 建造完毕后建筑体的质地类似于大理石，这种新型材料由于其坚固的微结晶结构表现出良好的密实度和抗拉强度，不需要内置钢筋进行加固.打印建筑比常规建造方法要快，而且所使用的原料也只有乎不会产生任何废弃物.D-Shape打印机能够很容 原来的1/3~1/2，减少一半的费用，更重要的是几易地打印其他建造方式很难实现的高成本曲线建筑.目前，这种打印机已成功地建造出内曲线、分割体、导管和中空柱等建筑结构.
图6D-Shape 打印机Fig.6D-Shape printer
Ruijssenars）已经开始利用这种新技术尝试建造一栋单片式景观别墅（landscape house）（见图7），而高了生产效率，缩短投资回收期；②不需要数量庞“完成人力建造办不到的事”.设计团队利用3D打 且该建筑特地模拟莫比乌斯环（MobiusStrip），力求印机逐块打印出来，每一块的尺寸都达到了6m×9m，然后拼接成一个完整的建筑.同“轮廓工艺”一排污；5打印过程中几乎不产生噪声和大振动，并的潜力.恩里克蒂尼已经在和欧洲航天局、Forster论，希望能设计出一种可以使用月球土壤的打印场存在的安全隐患，保障作业人员的人身安全，减机，到时在月球上就可以使用这种打印机快速的建少事故和伤亡：遵照计算机程序，打印完一层自
试验及相应材料试验已经在进行中.D-Shape打印机还有修复受损结构的天赋，2012年在纽约，工程2010年3月，意大利人恩里克蒂尼（Enrico师设想把每个受损支墩或支柱进行三维扫描，然后
图7单片式景观别墅Fig. 7 Landscape house
图8打印用于加固的外包“混凝土”Fig.8The printed outer wrapped concrete
3传统建造技术与3D打印建筑技术
设计等分专业设计，到出图施工建造，再到最后峻 传统的建造方法从方案设计、建筑设计、结构工验收程序繁杂，需要配合大量的人力、物力，历经漫长时间才能最终完成一个建筑作品.面3D打印建筑，只需要将设计好的模型输人计算机中，配合 大型3D打印设备，就能在短时间内直接将建筑一次性打印出来.相比传统建造施工，3D打印建筑技术的优势体现在：①比传统施工技术快，大大提大的建筑工人和管理队伍，人力成本几乎可以忽略 不计：③不需要使用模板和脚手架，可以大幅节约成本：④几乎不产生废料，大大地减少材料浪费和Partermers建筑公司及阿尔塔空间公司等进行讨以打印出高强轻质的混凝土结构；避免了施工现 打印出其他方式很难建造的高成本曲线建筑；可造出人类的月球基地.真空试验、模拟恶劣环境的动爬上一层，非常有序，甚至比人工的更加准确，产
问题.
品质量有保证；依据精确的几何计算，采用坚固有限元分析，而现有的结构设计规范以及相关技术耐用的材料，保证使用寿命期内，房屋不会有质量规程对于打印的建筑可能不再适用，需要编制与其适应的行业规范.新的建造工艺，需要新的验收标准，新型建筑检测技术应该要同步发展.
打印建筑远比打印其他东西难度更大，目前3D决.从结构角度来看，该技术适用在施工过程中能 打印建筑都还处于试验阶段，还有许多问题有待解够自我支承的结构，比如相对使用较陡的弯顶而避免使用浅拱，或者使用创造性的分层技术，实现更多形式的组合.对于无法自承重的楼屋面和梁，打印时则需要一定的支承结构；对于大跨度、长悬挑料的标准.以混凝土为例，首先混凝土的原材料将 结构，目前还无法实现直接打印.从材料角度来会变得更加广泛，比如胶凝材料可能采用特种水看，该技术面临材料添加的难题.首先，在大部分情况下，材料的处理是很困难的，尤其是建筑材料，题，3D打印机需要借助管道去泵送材料：再者，专门 比如混凝土、砂浆等：其次，材料运输也是一个间建造房屋的3D打印机体型庞大，不太好操控，面且打印过程要始终保持稳定，来保证打印精确性；最后，3D打印建筑过程是不可逆的，这增加了打印的难度.3D打印建筑技术目前还不能一次性完整打 印大型建筑物，而更多的是通过打印构件来进行拼装，对于广泛使用的高层建筑更无法进行打印.如在混凝土生产供应上也将发生较大改变.果要打印儿十层的建筑物，需要设计出巨型的3D打印机或者依附墙体自爬式的打印机.打印建筑在”台阶效应”问题，大型建筑物结构强度问题，材学科的融合需要多方协调发展.3D打印建筑技术料的收缩与变形问题，打印速率与分辨率的协调问题，以及建筑物中钢筋的打印问题.
从材料方面来讲：对于陶瓷和黏土等材料的使合比设计方面，可能还需要有新的理论来支持，混能理论、水化作用理论等均不能适应要求.最后，
用已开始探索，为配合3D打印建筑的需要，未来可能会出现许多纤维材料、复合材料、化学材料、智能材料等特殊材料.对材料性能要求不断提高，材料学研究向微观方向发展，新型材料更加符合建筑材泥、树脂、镁质胶凝材料等：粗细骨料的质量要求会更高，以满足3D打印的需要：混赢土将必须具备更好的流动性且能在空气中迅速凝结自承重，外加剂 可能会从根本上发生改变，其在混凝土体系中发挥的作用及作用机理也完全不同于现在.其次在配凝土各项性能发生了巨大变化，其硬化、收缩性能发生根本性改变，目前的混凝土强度理论、耐久性
从社会影响力方面来讲：3D打印建筑技术综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、建造技促进工程建设行业与制造行业融合.如果3D打印建筑技术能够普及，预计打印机器的造价大约在103D打印技术发明到现在仅有几十年的时间，打得起.只要有计算机和3D打印机，即便是在没有 万~15万美元，一般的小型建筑公司完全能够负担的运用，那么人人都可能成为“建造者”.
43D打印建筑技术发展趋势
印材料的多样化给3D打印技术安上了腾飞的羽建造团队的地方都能大批量生产房子.这种新型改变建筑业.
从需求方面来讲：这种技术十分适合于紧急住施，在功能和强度方面都优于救灾帐篷和活动板房.未来3D打印建筑还能满足客户定制的需求， 尤其对于外观造型复杂不规则的建筑物及构筑物，3D打印独具优势.
程，各分专业设计人员共同在一个三维的模型中，房和贫困群体居住.未来研发出来的打印机，能真 从设计方面来讲：建造房子无需繁杂的设计流完成各自的设计，也许有一天我们能从网上直接下正造出适合人居住的房子，在遭受自然灾害后，造载我们想要的建筑模型.对于建筑造型来说，传统房机能快速打印出房子，而且能自动安装各种设建造中难以实现的曲面造型在打印机那里变得简单，这对追求自由化造型的建筑师是绝对的好消 息.对于传统建筑设计，建筑师习惯用图纸表达出来，而构造复杂的造型有时是无法想象的，靠图纸表达很不现实，未来的建筑设计也许不再是设计造型，而是设计一种算法来创造建筑.对结构设计来讲，新型结构形式的出现，完全改变了根据梁、柱、钢筋、打印装饰面、安装管道、刷漆、贴瓷砖等多功 墙等构件组装的建筑模式，比如“轮廓工艺”打印出能建造机；能够打印无需临时支承的悬空或挑空结来中空的墙体、D-Shape打印出来的“放射虫”.新构，这对建筑结构的选取提供了更大的灵活性：具型结构的设计方法必须应运而生，比如更多地采用
从功能技术层面来讲：未来打印机可能朝着多功能方面发展，成为能够独立打印建造轮廓、打印
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