3D打印是一種將材料逐層堆積并黏合成實(shí)體的快速成型技術(shù)[口，由于其層層疊加的加工特點(diǎn)又被稱為增材制造⑵。該技術(shù)誕生于1984年,經(jīng)歷了幾十年的迅速發(fā)展,3D打印漸漸進(jìn)入了我們的日常生活，目前已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、建筑、生物、食品、服裝設(shè)計(jì)、文物保護(hù)等領(lǐng)域。3D打印建筑技術(shù)最早是美國學(xué)者Joseph Pegna⑶提出的,它是一種按照預(yù)先設(shè)計(jì)的建筑模型和程序，用特制的打印“油墨”一建筑材料一通過機(jī)器設(shè)備智能“打印”出來并逐層累加,從而達(dá)到建筑建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)且具有實(shí)用功能的建筑的技術(shù)。

與傳統(tǒng)建筑工藝相比,3D打印技術(shù)具有滿足復(fù)雜的多樣化建筑外形、施工周期短、施工安全、節(jié)約勞動力、降低成本、對環(huán)境友好等優(yōu)勢3D打印技術(shù)的引入，把建筑業(yè)帶入了數(shù)字領(lǐng)域,它將建筑設(shè)計(jì)、施工、項(xiàng)目管理、裝備、新型材料、應(yīng)用融合等綜合為一個新的體系，可快速建造出各種傳統(tǒng)建筑工藝不易建造甚至無法實(shí)現(xiàn)的新型建筑結(jié)構(gòu)。

本文結(jié)合3D打印建筑技術(shù)進(jìn)展，介紹3D打印在建筑設(shè)計(jì)與施工、項(xiàng)目管理、建筑裝飾裝修和古建筑修復(fù)等領(lǐng)域的典型應(yīng)用，并指出3D打印今后在建筑行業(yè)需要面對的挑戰(zhàn)。

1、建筑設(shè)計(jì)與施工

對于建筑師來說,可以創(chuàng)建復(fù)雜外形的建筑是3D打印最大的優(yōu)勢⑹。例如逐步成熟的非線性建筑，依靠自由多變的外形特征煥發(fā)了城市新的活力⑺，但是它復(fù)雜的外形使得施工中定位、模板安裝、支模架搭設(shè)有很大困難。

如今3D打印建筑的興起和云計(jì)算的到來,鼓舞著勇于創(chuàng)新的建筑師們繼續(xù)進(jìn)行非線性建筑的深化應(yīng)用⑻，為自由建筑外形的進(jìn)一步發(fā)展提供了便捷條件。

1.1裝配式打印

預(yù)制裝配式的3D打印建筑是預(yù)先在電腦中將三維建筑模型按照不同的結(jié)構(gòu)或受力情況劃分成多個部分，在工廠分別打印完成后再運(yùn)至現(xiàn)場組裝）9]。與傳統(tǒng)預(yù)制裝配式建筑不同的是，預(yù)制板可以直接打印出不同的肌理而不 需要后期美化加工（如圖1盈創(chuàng)集團(tuán)的不同肌理板），給建筑外觀帶來了新的可能。

2021年8月，位于荷蘭埃因霍溫（Eindhoven）的3D打印房屋將迎來第一批租戶。這是5棟獨(dú)立的單層出租房屋，外形看起來像一塊大石頭，使人眼前一亮。建筑面積94平方米，有寬敞的客廳，兩間臥室。房屋由24個逐層打印的混凝土部件組成（見圖2），這些工廠里打印好的部件通過卡車運(yùn)到施工現(xiàn)場裝配，最后安裝屋頂和窗框并完成整棟房屋的建造（見圖3）,所有的家具、裝飾依然為傳統(tǒng)施工技術(shù)（見圖4）。

這些3D打印混凝土房屋有超厚的隔除了國外的飛速發(fā)展，我國的北京華商陸?？萍加邢薰疽惨淹瞥隽诉m用于裝配式建筑的龍門式建筑3D打印機(jī)，既輕便又便宜,用來建造數(shù)字化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配式組裝的3D裝配式建筑。施工過程中不受季節(jié)影響，需要的建筑工人數(shù)量很少，建筑質(zhì)量得到提升的同時還大大縮減了施工周期。與傳統(tǒng)“裝配式建筑”將事先做好的梁、板、柱、墻等建筑構(gòu)件在施工現(xiàn)場進(jìn)行搭積木式拼合的產(chǎn)業(yè)模式不同，華商陸海3D裝配式建筑主要是基于3D打印建筑技術(shù)，以“單體建筑”為單位在工廠進(jìn)行定制化打印（見圖5），最終在現(xiàn)場裝配而成，解決了傳統(tǒng)“裝配式建筑”墻面開裂、板材拼接縫隙不均、隔音效果不佳、保溫隔熱效果差等難題。

1.2整體式打印

不同于裝配式的3D打印建筑技術(shù)，整體式打印不需要在工廠里打印好獨(dú)立的構(gòu)件再運(yùn)到建筑基地進(jìn)行組裝，而是直接在現(xiàn)場建造，整個建筑用打印機(jī)在原點(diǎn)一次性打印建造完成。2017年，俄羅斯建造了一座占地37平方米的房子（見圖6 ），只花了不到一天就建造完成，成本7萬多元人民幣。它是由舊金山ApisCor公司生產(chǎn)的圓形3D打印機(jī)建造完成（見圖7）。這款緊湊型的3D打印機(jī)便于運(yùn)輸，它有一個旋轉(zhuǎn)底座和起重機(jī)般的機(jī)械手臂,底座部分用于存儲、供應(yīng)原料,360。旋轉(zhuǎn)的活動手臂負(fù)責(zé)搭建，因此可以實(shí)現(xiàn)比自身更大的打印尺寸。

北京華商陸海科技有限公司從2016年的以鋼筋混凝土為原材料的“現(xiàn)場整體打印”的示范建筑，到2018年打印的正式商用建筑“新溫莎城堡”（圖8）,向我們展示了我國3D打印建筑技術(shù)的快速發(fā)展?！靶聹厣潜ぁ泵娣e超過600平方米，是由華商陸海自主研發(fā)的“建筑3D打印機(jī)”完成的,在不到2個月的打印工期內(nèi)，建筑3D打印機(jī)噴射出超過500噸的混凝土,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)格迥異的多層建筑的現(xiàn)場整體打印。

2019年11月，中建股份技術(shù)中心和中建二局華南公司聯(lián)合完成了一棟7.2米高,總面積230平方米的雙層辦公樓的打印（見圖9）,打印設(shè)備由中建機(jī)械公司設(shè)計(jì)制造，打印材料、設(shè)備、工藝及控制軟件均是自主開發(fā)，建筑3D打印技術(shù)利用電腦智能控制，全部使用機(jī)械自動化操作，可以做到24小時不間斷打印，主體打印只需3天,節(jié)約材料超過60%,建好的房屋壽命可達(dá)50年。打印出的中空墻壁還可以填充保溫材料達(dá)到節(jié)能降噪的目的（見圖10）。

2、建筑材料

3D打印建筑物使用的建筑材料是通過3D打印機(jī)的傳輸管和噴嘴擠出的“油墨”，這種特殊“油墨”主要由膠凝材料、各種粗細(xì)骨料、外加劑、特種纖維等皿混合制成。

3D打印機(jī)噴嘴結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作不當(dāng)容易堵塞，因此,3D打印建筑材料的配制要求比傳統(tǒng)建筑材料要高。水泥基材料作為主要的3D打印建筑材料［⑴，是基于流變學(xué)原理及水泥水化原理實(shí)現(xiàn)水泥基材料的3D打?。劢?jīng)⑷。其研發(fā)）15-7*包括:通過添加不同配比的外加劑，控制水泥基材料的流變性和收縮率，增加水泥基材料的強(qiáng)度、韌性和耐久性，提高打印材料的層間黏結(jié)性能;通過選用不同的骨料，減輕結(jié)構(gòu)自重）;在管理上制定打印材料的性能評價(jià)方法等。

2.1增加強(qiáng)度、硬度和耐久性

3D打印建筑所用的水泥基材料要確保硬化后具備一定的強(qiáng)度、硬度和耐久性，相鄰兩層材料之間要能緊密黏結(jié)成一個整體。 一般認(rèn)為，適合3D打印建筑材料添加的骨料應(yīng)為粒徑10毫米以下的近似球型，具有高強(qiáng)度低密度的特性）

Wegea D等）2通過測試發(fā)現(xiàn)采用粉末黏結(jié)工藝成型的3D打印水泥基材料抗凍融性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；劉致 遠(yuǎn)122］針對寒冷條件下水泥基材料強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律及抗凍耐久性進(jìn)行了研究，總結(jié)了添加不同外加劑后材料抗壓、抗折性能的變化;曹香鵬等［23］通過在添加了礦物摻合料的 復(fù)合膠凝材料中摻入中空玻璃微珠，制備出了抗壓、抗折強(qiáng)度適宜的建筑材料;王里等）制備了環(huán)氧樹脂改性砂漿和氯丁橡膠改性砂漿來增強(qiáng)相鄰材料層的界面黏結(jié)性能，增強(qiáng)打印建筑的整體穩(wěn)定性;Zhang等）研究發(fā)現(xiàn),3D打印水泥基材料具有較高的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，較低的干燥收縮率，較好的抗硫酸鹽侵蝕和碳化能力，但抗凍害和氯離子滲透能力較低。

2.2優(yōu)化可打印性能

相對于傳統(tǒng)建筑用混凝土,3D打印用混凝土需要有適宜的流動性，不堵塞管道和噴嘴，并能短時間內(nèi)凝結(jié)。

若流動性過大，凝結(jié)速度慢，會導(dǎo)致在3D打印過程中材料無法堆疊;而流動性過小，則會導(dǎo)致3D打印機(jī)噴頭的堵塞。因此，研發(fā)新型復(fù)合外加劑來控制水泥基材料的硬化時間是3D打印建筑材料研究的重要方向） 。學(xué)者們的研究表明,摻入減水劑使混凝土具有較好的流動性已經(jīng)成為混凝土獲得較快初凝能力的一種重要方法;LE T T等）30-31］研究發(fā)現(xiàn)，降低水膠比、增加粉煤灰摻量有助于降低打印過程中混凝土漿料的收縮率;范詩建等132］則提出添加改性劑的磷酸鹽水泥具有快凝、早強(qiáng)、黏結(jié)強(qiáng)度高和生物相容性好的優(yōu)點(diǎn);薛龍）33］研究發(fā)現(xiàn)，添加促強(qiáng)減縮劑、無堿液體速凝劑以及硫酸鋁溶液能夠明顯縮短水泥的凝結(jié)時間;使用硫鋁酸鹽水泥和鋁酸鹽改性硅酸鹽水泥能獲得早強(qiáng)快凝的3D打印混凝土）34-35］ ; Zhang Y等人）36］設(shè)計(jì)了一種在輸送過程和擠出時具有良好流動性的水泥漿體;李艷玲）37］研究了添加不同化學(xué)外加劑的水泥基建筑砂漿性能后發(fā)現(xiàn),3D打印建筑砂漿降低了不能振搗夯實(shí)材料所造成的收縮變形，且凝結(jié)時間可控，可擠出性能與力學(xué)性能較好;高效減水劑和緩凝劑的最佳摻量可改善材料流變性能。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國由于城市建設(shè)的需求，傳統(tǒng)的建造方式每年產(chǎn)生的建筑廢料高達(dá)20億噸。隨著3D打印建筑技術(shù)的推廣和打印“油墨”的研發(fā)，使用建筑廢料進(jìn)行打印得到了研究者的關(guān)注。通過這種技術(shù)，可以回收大量的建筑廢料有效利用后，變成建設(shè)科技智能城市的重要物資，不但節(jié)省城市建設(shè)的費(fèi)用，也極大地降低了建筑垃圾對城市的環(huán)境污染。另外，研究人員也在積極地研制開發(fā)其他新型材料，如:砂材料、生物纖維材料和智能材料等。

3、建筑裝修與裝飾

3D打印技術(shù)可以建造一些形態(tài)復(fù)雜的產(chǎn)品,使造型藝術(shù)不再受限于制造技術(shù)，促使設(shè)計(jì)師將設(shè)計(jì)重點(diǎn)更多地放在產(chǎn)品的外觀創(chuàng)新上，表達(dá)自己天馬行空的思路）38］。目前，一些3D打印產(chǎn)品設(shè)計(jì)網(wǎng)站的出現(xiàn)，客戶可以很方便地與設(shè)計(jì)師溝通后購買個性化設(shè)計(jì)，使客戶自由定制建筑內(nèi)裝飾裝修產(chǎn)品）39］。由于打印室內(nèi)裝飾使用的材料性能要求（如強(qiáng)度等）比建筑主體低，能更好地展現(xiàn)出3D打印技術(shù)在復(fù)雜曲面造型中精細(xì)、高效、低成本的特點(diǎn)。法國設(shè)計(jì)師Frangois Bement和Sonic Laugiee的作品“ Habitat imprime（以一種全新的思維突破了傳統(tǒng)的室內(nèi)設(shè)計(jì)（圖11），依據(jù)不同家具和設(shè)備衍生出變化的墻壁厚度,通過不同材料（塑料、混凝土、砂石）的疊加，打造出一個與眾不同的個性化空間，或許將成為未來小戶型裝飾裝修的另一種發(fā)展趨向;上海東海廣場SOHO售樓處室內(nèi)裝飾和一體化完整家居打印的自由曲面則處處散發(fā)著科幻的氣息（圖12 ）

除了現(xiàn)代化的裝飾與裝修,3D打印技術(shù)對于傳統(tǒng)建 筑裝飾技能的保留與傳承也起著積極的推動作用。我國 江西樂平素有“中國古戲臺博物館”之美譽(yù),古戲臺建筑營 造技藝入選為國家級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)，其精美的木雕讓人 嘆為觀止?，F(xiàn)今傳統(tǒng)工藝技術(shù)的學(xué)習(xí)傳承者愈來愈少，以 致木雕、石雕等很多傳統(tǒng)技藝在流失,據(jù)許飛進(jìn)團(tuán)隊(duì)[40]考 察,現(xiàn)存的樂平雕刻工匠正趨于老齡化，年輕的傳承人嚴(yán) 重缺乏;另外,大部分工匠技藝不傳外姓徒弟的傳統(tǒng)方式 增加了技藝傳承斷層的危機(jī)。于是,研究者借助紅外線掃 描并建模的技術(shù)儲存下數(shù)字化的雕刻數(shù)據(jù)，最終建立數(shù)據(jù) 庫加以整理和保存，從而將高超的傳統(tǒng)技藝留存下來，需 要時再通過3D打印的實(shí)體模型來學(xué)習(xí)制造。此外,劉新業(yè) 等人[41]依照影像數(shù)據(jù)采集、數(shù)字建模、修復(fù)模型細(xì)節(jié)、場 景渲染的步驟對沈陽北塔建筑紋飾進(jìn)行修復(fù)，最終通過 3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了紋飾的復(fù)原，為展現(xiàn)地域文化帶來了 可行的新模式。值得關(guān)注的是，在古建筑建造和保護(hù)的研 究中通過紅外線掃描技術(shù)進(jìn)行古建筑數(shù)字化建模[42-43] #建 立古建筑常用的3D構(gòu)件庫并進(jìn)行3D打印的技術(shù)[44-45]已 在古建筑裝飾構(gòu)件的替換中取得突破，但在受力復(fù)雜的梁 柱構(gòu)件上進(jìn)行替換還在試驗(yàn)當(dāng)中[46] 。

結(jié)語

3D打印建筑具有節(jié)約資源、降低成本、工期較短、設(shè) 計(jì)靈活等優(yōu)勢，目前十分適用于緊急安置等住房，在農(nóng)村 和受災(zāi)重建活動板房中具有其優(yōu)勢。同時，由于3D打印 建筑在技術(shù)上仍然有欠缺，管理上也還不完善，在未來需 要面對以下挑戰(zhàn)：

(1)技術(shù)發(fā)展。3D打印因其材料層層疊加、架空部位 缺乏支撐和受建造環(huán)境的影響原因，以目前的技術(shù)在混凝 土中配筋還有一些障礙[47];因此,要提高3D打印建筑的 整體性和抗震性，還需要在創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和新型材料的研 發(fā)方向拓展。同時，有針對性地促進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、激 光技術(shù)、A技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料工程等多項(xiàng)技術(shù)集成化發(fā) 展才能加快3D打印建筑的推廣。此外，探索由若干小機(jī) 器人(打印機(jī))在三維模型中協(xié)調(diào)執(zhí)行復(fù)雜、龐大建筑的打 印任務(wù)，是未來3D打印建筑的發(fā)展方向之一，機(jī)械和軟件 集成開發(fā)對于小型群組機(jī)器人集合打印并提高打印精度 的研發(fā)有著強(qiáng)力的推動作用。

(2)制定評價(jià)體系和建設(shè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。對于3D打印建 筑的整體抗震性、防火性、使用年限的研究較少，與施工組 織管理相關(guān)的規(guī)范較少,建筑各構(gòu)配件的剛度、強(qiáng)度的質(zhì) 量標(biāo)準(zhǔn)缺乏[48]。目前，美國的材料與試驗(yàn)協(xié)會(ASTM)已 經(jīng)有了建筑3D打印的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),我國關(guān)于擠出工藝的3D 打印建筑技術(shù)及其水泥基材料也已經(jīng)發(fā)布了《混凝土 3D 打印技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 786—2020),目前還有多部關(guān)于 3D打印水泥基材料工作性能及力學(xué)性能的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或協(xié) 會標(biāo)準(zhǔn)正在編寫?？梢?D打印建筑技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系正

在逐漸建立，隨著大量3D打印建筑的研究應(yīng)用結(jié)果不斷 完善和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)立,3D打印技術(shù)將會走向市場化之路。

(3)建筑項(xiàng)目管理的變革。希望建筑設(shè)計(jì)師們能利用 高度的設(shè)計(jì)自由重塑人們對建筑的思考方式[49],也為項(xiàng) 目經(jīng)理等管理層把權(quán)力下放,形成自我監(jiān)管的分散化管理 方法指明了方向[50]。行業(yè)內(nèi)的利益相關(guān)者(建筑師、工程 師、客戶、開發(fā)商、分包商、材料供應(yīng)商乃至政府主管部門 等)需要分擔(dān)建造技術(shù)創(chuàng)新后的風(fēng)險(xiǎn)；除此以外，傳統(tǒng)的建 筑項(xiàng)目工業(yè)化是利用較高程度的預(yù)制和場外生產(chǎn)的方法， 將增值活動轉(zhuǎn)移到供應(yīng)鏈的上游[51-52],而3D打印技術(shù)的 使用扭轉(zhuǎn)了這一趨勢，將增值活動重新轉(zhuǎn)回建筑工地，只 是將復(fù)雜部件的生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到場外，這對于建筑工業(yè)化的發(fā) 展方向?qū)袠O大的影響。

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基金項(xiàng)目：2021年云南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目“智增3D打印工作室"(項(xiàng)目號：DC202110681039X) ；2021年云南師范大學(xué)“課程思政”建設(shè)項(xiàng)目《建筑制圖》(項(xiàng)目

號$2021kcsz26))；2021年云南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目“基于光伏熱解農(nóng)業(yè)廢棄物制備生物炭系統(tǒng)設(shè)計(jì)”(項(xiàng)目號：S202110681021S)

作者簡介：黎家昕(2001 —),男，漢族，廣東恩平人，本科，研究方向：文物保護(hù)與3D打印技術(shù)。

*通訊作者：姚昊翊(1989—'，女，漢族，云南玉溪人，碩士，講師，研究方向：建筑節(jié)能與太陽能光熱利用。