一、概述
3D打印技術是上世紀80年代開始興起的一種快速成型新制造技術，是一種以數字模型文件為基礎，運用計算機自動控制技術，將打印材料通過逐層打印的方式構造物體，*終把計算機上的藍圖變成實物。其具有數字化、智能化、機械自動化等特點。建筑3D打印其本質上是綜合利用管理、材料、計算機與機械等工程技術的特定組合完成工程建造的技術。在建筑功能化、結構造型復雜化、規模擴大化的建筑要求下，傳統的施工技術和方法是難以滿足和實現的。與傳統建筑業相比，3D打印技術可采用工業化的生產方式，減少了勞動力的投入，提高了效率，縮短了生產建設周期，同時在建造過程中防止了環境的大面積破壞。
住建部發布《2016-2020年建筑業信息化發展綱要》，規定“積極開展建筑業3D打印設備及材料的研究。結合BIM技術應用，探索3D打印技術運用于建筑物品、構件生產，開展示范應用”。3D打印混凝土建筑目前在國內還處于起步階段，國內高校、研究院聯合建筑單位正在研制和開發3D打印建筑技術，從建造邏輯、結構形式、建造技術方面與傳統建造方式進行對比，理論上分析論證了3D打印建筑技術的可行性和應用趨勢；3D打印技術在建筑業應用中的應用現狀，依據問題和局限提出相應的應對策略，以其技術優勢分析其應用趨勢。
二、我國建筑3D打印技術應用進展
近年來，3D打印技術在機械制造、航空、醫療等領域得到廣泛的應用，并且逐漸拓展至建筑領域。3D打印技術能夠有效解決建筑傳統施工中存在的手工作業多、模板用量大、復雜造型難以實現等問題，并且在建筑個性化設計、智能化建造等方面具有顯著優勢。
在實際建造中，建筑相對于其它工業產品具有較大尺度，相對于傳統建造技術，3D打印技術的成本高昂，使得3D打印技術還僅局限于使用在建筑模型的制作中。所以，3D打印技術在建筑領域的應用門檻關鍵在于成本，但相信這一門檻的跨越只是時間問題。建筑3D打印技術與現有施工技術是互補的、相互依靠的關系。今后的發展趨勢不是建筑3D打印技術去替代現有的施工技術，而是對現有施工技術的一個強有力的補充。3D打印技術無疑將推動制造業的數字化發展，相信在3D打印的世界里，建筑師、工程師和建筑工人將借助科技之力，將建筑與3D打印結合，完成對現有建筑技術的再造。

混凝土3D打印工藝原理是將建筑的圖形設計模型轉化成三維的打印路徑，利用打印系統將凝結時間短、強度發展快的混凝土精確分層布料，逐層疊加累積成型，實現免模板施工。打印系統由混凝土輸料系統、混凝土布料系統、打印路徑控制系統組成。三個系統在計算機控制下協同工作，實現施工過程的智能化。
混凝土3D打印是一種免模板的施工工藝，通過打印頭擠出成型后的混凝土既是結構主體，其自身也相當于一層混凝土模板。如果打印的結構為中空，待打印混凝土硬化后可以填充普通混凝土或砂漿等其他材料，外層打印的混凝土成為了免拆的永久模板。
在應用方面，混凝土3D打印技術除了打印一般房屋建筑的用途外，另外一個潛在的應用途徑就是打印經過設計師設計的特殊形狀的市政公共設施、景觀部品，甚至是大型的混凝土雕塑輪廓，這些特殊的應用也能夠體現出混凝土3D打印的特點和優勢。同時，市政景觀部品和設計的特殊造型的構件一般要求具有一定的色彩和裝飾效果，一般水泥的顏色比較單調，而彩色3D打印混凝土能滿足這樣要求。
1. 3D打印房屋
通過3D打印來打印建筑是建筑3D打印技術一個*重要的應用方向。建筑3D打印目前一般按照建筑設計三維模型打印墻體的外輪廓，中間通常為中空，墻體的打印外殼可以作為模板，中間填充混凝土或保溫材料。

近幾年來，隨著3D打印技術研究的不斷深入，3D打印建筑的應用示范項目也逐漸增多，原位兩層建筑的打印項目在國內外開始出現，裝配式3D打印建筑也不斷增多。圖4-圖8是國內比較典型的3D打印建筑項目，這些項目的應用示范，促進了建筑3D打印技術發展和完善。

圖4、圖5是2019年11月我國*個基于“輪廓工藝”原位3D打印完成的2層辦公室項目，采用了框架式3D打印機，主體墻體3D打印，梁板結構預制，墻體主體打印時間約60小時，打印效率效果良好，體現了3D打印無模施工工藝的優勢。

圖6為采用滑模工藝打印的雙層別墅，由含有15mm的粗骨料混凝土打印而成，打印墻體為實心，打印過程中通過打印頭的設計直接將豎向鋼筋植入墻體，解決了3D打印豎向鋼筋配制難的問題。圖7、圖8為打印的墻體構件，通過裝配搭建而成了中式庭院、多層3D打印公寓項目。
2. 3D打印橋梁主體結構及輔助構件
混凝土3D打印不僅在房屋建造中應用，也很適合在軌道橋梁工程中進行應用，特別是非常適合打印橋梁工程、市政軌道工程中墩柱的模板。

圖9和圖10所示為3D打印步行橋構件，然后通過現場安裝并張拉預應力搭建了一座步行墻，打印效果良好，設計美觀。

圖11為清華大學設計并打印構件拼裝完成的一樁拱形步行橋項目，圖12為河北工業大學打印的縮比例趙州橋，這兩座拱形橋梁都是采用了3D打印構件模殼，然后灌注混凝土，*后拼裝完成。

3D打印不僅可以打印橋體的構件模殼，還可以打印橋梁的圍護欄桿構件，具有良好的強度和耐久性。

相對墻體本身結構的打印，混凝土3D打印更適合打印一些橋梁工程、市政軌道工程中的異形墩柱的模板，可以節省大量的模具費用并且可以降低造價，打印的模殼作為永久結構部分不必拆除，對橋梁支柱可以起到良好的保護作用。
3. 3D打印公共設施
城市中的公共設施建筑一般具有小型化、多樣化的特點，建筑3D打印針對這樣的小型建筑的建造相較傳統制模具有很大的優勢。既可以滿足快速制作，又可以根據設計進行專業化的定制，具有良好的應用前景。圖19至圖26為建筑3D打印技術可以進行的一些公共建筑的打印示范。

這些打印的公共設計一般體積小、可以進行吊裝移動，根據城市不同位置的需求進行打印預制，然后直接搬運到現場使用。
4.3D打印大型景觀構件
3D打印在異形曲線路徑的打印上具有獨特優勢，通過混凝土3D打印可以制作一些景觀雕塑、小品，再進行后期的表面處理提高作品的表觀質量，可以在美麗城市、人文城市的今天大有作為。3D打印工藝也可以實現建筑師的大膽設計，降低傳統石材雕刻對環境的污染，節能環保。圖27至圖32為一些適于3D打印的大型景觀構件。

5. 3D打印裝修圍護結構
建筑3D打印技術可以打印一些定制圖案的圍護墻體、多功能的綠植墻體，甚至是河岸工程中的護堤墻塊，具有免模板，快速高效特點。圖33至圖40是打印或者針對3D打印進行設計的裝飾構件及圍護結構。

6. 3D打印異型小品構件
利用3D打印技術可以打印公園里的休閑桌椅、樹池花池以及一些宣傳性的藝術字體。這些構件通過定制模板一般是很難完成或者成本很高，但是通過3D打印技術只需要根據設計圖紙進行三維建模，然后將設計的圖形導入打印機打印出來即可完成。圖41至圖44是打印和設計的公園功能結構小品和宣傳藝術字體。

三、國際建筑3D打印技術應用進展
美國、歐洲率先開展了建筑3D打印技術應用探索，利用多種類型的3D打印設備，陸續打印出大量景觀構件、單層房屋等。近兩年來，建筑3D打印技術應用的發展逐漸由我國相關研究院所和企業引領，國際上大型3D打印建筑項目相關的報道較少。
美國Apis Cor公司為阿聯酋迪拜市政府完成了一座兩層行政大樓墻壁結構的3D打印（圖57-圖58）。這棟辦公樓高9.5米，總面積640平方米，混凝土墻體由一臺3D打印機打印而成。由于建筑總面積大于3D打印機處于靜止狀態時可達的打印面積，因此打印機需要通過起重機在施工現場移動，來打印所有的墻體。整個施工過程都是露天的，這意味著無法控制場地溫度、濕度等環境因素，3D打印材料的開發與測試都在惡劣的天氣條件下進行，可滿足露天施工的需求。
丹麥Cobod International公司開發出了大型3D打印設備，可打印長度27米、寬度12米，高度9米的建筑物，希望利用該設備實現樓房的原位打印，目前該設備尚未實施打印實際建筑試驗。
蘇黎世聯邦理工學院采用數字化技術，設計建造了三層樓的DFAB House（圖59），該建筑占地面積約200平方米，位于一座名為NEST建筑的*上層，客廳內裝有采用3D打印模板鑄造的混凝土天花板以及由建筑機器人創建的弧形混凝土墻，是首個結合智能家居和3D打印的大尺寸人居項目。
雖然近兩年國際上建筑3D打印大型應用項目較少，但美國、歐洲在3D打印設備、材料等方面的基礎研究仍較我國有一定優勢，3D打印分會將利用協會平臺，組織會員單位通過參加國際學術會議和前往國際優秀設備和應用企業調研交流，促進我國建筑3D打印行業的快速發展。
四、建筑3D打印技術展望
3D打印在建筑行業的應用有很多優點：
較低的成本。打印建筑構件可有效避免材料存儲成本，也可充分利用建筑垃圾等，形成資源循環利用；3D打印建筑工期短，所需的勞動力少，勞工成本低。
塑形能力強。適合異形混凝土構件的建造，可以實現中空、鏤空制作，實現傳統技術無法實現的形狀。
環保性強。構件提前預制，建筑安裝工程產生的建筑垃圾和灰塵等比傳統方法少。
3D打印技術是一個多學科跨界融合的技術體系，包括建筑模型的數字化、結構設計、混凝土材料、適應建筑大體量特點的智能打印系統、混凝土體內或體外鋼筋增強、整體打印或打印構件部品裝配式建造技術等，其復雜性不言而喻。3D打印建造的研究和應用推進，將加快我國工程建設的裝配化、機械化、智能化和綠色化為特征的建筑產業現代化的發展步伐，助推我國經濟轉型升級。雖然目前在實體建造的相關基礎性研究和工程應用中也略顯不足，但3D打印建造發展潛力巨大。我們亟需明確其發展方向，理清其發展思路，制定其發展戰略。3D打印機技術雖然是一個新技術，但是它在繼承傳統的3D打印機技術以及工藝的基礎上也有相應新的要求。建筑3D打印雖然擁有廣闊的應用前景，但目前還處于探索階段，在打印材料、打印方式、打印設備、結構體系、設計方法、施工工藝和標準體系等方面存在著一些問題需要解決。
（1）3D打印建筑采用混凝土制品逐層疊加的構件表面粗糙程度不均勻，觀感程度低，使得建筑的美學效果降低。而且建筑構件尺寸要求不一，對相應的打印機要求也不一樣，基于打印機的構造及工作原理，會限制其應用范圍。另一方面，3D打印建筑物具有不可逆性，對打印機的打印過程具有嚴格要求，這增加了高要求打印建筑精度的技術操作難度。當然，工藝上的限制可通過小型機器或裝配式建筑等方式得以解決，與傳統方式相比，還是有相對的優點可以采納。
（2）3D打印建筑在我國還未有相關的具備執行力的行業規范。雖然3D打印建筑可相對參考建筑規范的樓層高度、平面布局、構件尺寸、管綜排布等規范要求，可是涉及到材料強度要求、安全可靠性、荷載強度、抗震減震等領域的實際要求，卻沒有相對的參考借鑒指標。新技術、新材料的出現都需要一定的發展時期以形成行業規范，這需要逐步建立3D打印建筑在設計方法、施工工藝、驗收標準等方面的相關標準體系。
（3）3D打印材料。目前所采用的材料均為水泥、纖維等的混合物，既要滿足材料強度要求，又要具有良好的和易性，且還需要滿足打印過程材料快速凝結的性能要求。基于3D打印過程“逐層疊加”的原理，打印材料層層堆積，若凝結不及時，下層材料未達到足夠的強度和承載力，會造成上層材料堆積變形，從而影響精度。研究出具有抗拉性能高、韌性強、抗裂性能好且初凝時間較快、初凝強度適宜的打印材料是發展3D打印建筑技術的關鍵一步。
（4）3D打印與BIM技術的融合
BIM（建筑信息模型）的逐漸應用，相信電腦中的建筑模型完全可以與3D打印機銜接。參數化設計、異形建筑形體或局部復雜，用傳統的設計軟件、圖紙、施工技術難以精確表達。隨著3D打印技術的發展，可打印材料增加、可打印體量變大和成本降低，可以直接打印出建筑裝飾構件，再運輸到施工現場安裝拼接，甚至可以打印具有足夠強度的結構構件。制造企業有非常明確的生產制造工藝流程，雖然建筑工程行業的建造過程有點混亂，但未來會消除這種混亂，建造一棟建筑，就像現在制造企業生產一種產品一樣，有了3D打印技術，其流程會更加精良，會更加完善。在3D打印技術面前，未來的一個大體量建筑，其建造施工將與一個生產制造企業生產一架飛機和汽車一樣，兩者不會有太大的差別。
建筑3D打印技術作為一項高新制造技術，相較傳統建造技術工藝，在建筑施工效率、人力節省、資源環保等方面有著明顯技術優勢。3D打印建筑無需模板施工，一次成型減少資源消耗，避免因返工和因尺寸差別而導致的資源浪費。同時，3D打印技術的具有設計自由、建造精確特點，這為建筑師的設計工作提供了更大的空間與更好的條件，借助CAD軟件，通過3D打印，實現各種復雜、創意設計。目前在材料、設備、施工技術等條件下，3D打印技術在建筑施工領域的應用暫時適合在部分輕量級建筑、景觀小品、構件中進行的技術試驗和應用。隨著技術的不斷成熟，逐漸拓展其應用范圍。
3D打印建筑技術在環保、施工技術、建筑業發展等方面具有的重要價值與意義。建筑3D打印雖然擁有廣闊的應用前景，需要建立3D打印建造材料體系、3D打印建造設備體系、3D打印建造標準體系以及3D打印建造示范工程體系。同時，通過不斷的創新和完善使其能夠與傳統的建造技術完美的融合，互為補充是建筑3D打印技術發展的一個重要方向，促進建筑業轉型升級，并與建筑可持續發展緊密結合。
消息來源：中國混凝土與水泥制品協會
關鍵詞：3D打印，建筑，技術