0.前言
目前，中国人口老龄化日益严重，劳动力日益缺乏、用工成本不断增加，这对依靠大量劳动力的建筑业无疑是一场冲击，而基础设施建设、房地产开发等行业对于方便人们生活、国家经济增长关系重大。当前，3D打印、机器人在建筑业的应用表明智能制造有助于解决以上矛盾。
3D打印作为一种智能制造技术，其打印思想在19世纪末已出现。3D打印技术在医学领域、航空航天领域、汽车制造领域发展较为突出。进入21世纪，人们逐渐探索3D打印在建筑领域的应用，如轮廓工艺、D-Shape、打印混凝土。目前，建筑行业的3D打印大多处于试验阶段，未普及到全行业，主要是因为3D打印建筑材料、3D打印机械设备等方面的限制。本文在对通用3D打印技术介绍的基础上，分析了3D打印模型获取方法，阐述了砂粒分层黏结打印、混凝土挤出打印、块状堆叠砌筑打印的特点，并提出了3D打印存在的问题及未来发展的方向。
1.3D打印技术
3D打印是以模型的三维数据为基础，将三维模型划分为若干个打印层，用打印设备通过喷嘴将打印材料连续挤出逐步完成模型制造的技术，该技术与传统减材制造或等材制造技术大不相同，因此，又称为增材制造技术，其打印过程如图1所示。
表1为根据3D打印技术的分类，总结的各打印技术所用打印方法、材料、应用领域及研发生产团体。
2.3D打印技术在建筑工程中的发展
传统建筑行业存在建筑固体废料多、能源消耗大、扬尘污染严重等问题，而3D打印技术在建筑领域的发展可提高建筑垃圾利用率、降低能源消耗，并以绿色环保的方式提高建造效率、缩短工期。基于以上优点，3D打印技术在建筑领域具有较高的发展潜力。目前，轮廓工艺、D-Shape、打印混凝土作为三大增材制造工艺在建筑工程领域具有很好的前景。
建筑3D打印技术主要包括计算机获取模型数据、机械及数控系统实施打印、原材料提供模型基础成型材料。①获取模型数据，目前有两种方法获取：一是人工建模得到模型数据，如采用Revit、3Dmax等软件建模；二是基于逆向工程及三维扫描技术，获取实物模型的三维数据，经过数据分析整理得到的三维模型数据。②在获取模型数据之后，对模型数据在一个方向上进行分层处理，得到每层打印厚度及平面形状数据；③采用数控系统对机械臂进行驱动使打印喷头按照预定的每层形状数据轨迹移动打印，一层结束继续进行下一层的打印，如此进行循环直至模型打印完成。在打印过程中随时保证材料的供应，打印材料应具有一定的早期强度，保证成型后的材料不会被上层材料压垮，根据采用的成型工艺不同，还应选择喷出性能适合的喷嘴。
2.1 3D打印的模型获取
3D打印模型通常采用计算机软件建模获取，目前机械设计领域采用比较多的是Solidworks、犀牛、proe、UG、maya等商业软件进行建模，建筑领域多采用Revit、CAD、Inventor等软件绘制模型；也有部分打印复制品是为了复制已有成品、既有地形或建筑物而采用三维扫描来获取原物模型。
三维扫描获取物体表面的点云数据后，应将每个点的空间坐标信息最终转化为由三维网格组成的STL格式模型信息。但获取点云数据后由于数据量非常大，常因个人电脑配置问题无法运行。为了解决问题可将点云数据在Cyclone软件下进行分块、数据稀化处理，然后导入AutoCAD平台处理为STL格式。一些商业软件也是按照这个原理实现点云向三角网格转化的，例如Imageware公司的surfacer软件。
2.2 建筑3D打印方式分析
3D打印材料是3D打印技术发展的重要物质基础，材料科学的发展在某种程度上决定着3D打印能否具有更广泛的应用空间。应用于3D打印技术的建筑材料更是制约3D打印在建筑领域发展的重要因素之一，根据材料的性状及种类不同将建筑3D打印技术分为三类：混凝土挤出打印、砂粒分层粘结打印、块状堆叠砌筑打印。不同打印方式所用材料、打印强度及打印质量等性质如表2所示。
2.2.1 混凝土挤出打印
混凝土挤出打印按照模型预先分层面，采用可挤出混凝土的喷嘴按照既有路线连续喷出打印混凝土，直至完成全部结构，其打印过程如图2所示。
目前，建筑3D打印领域大多采用混凝土作为基材。3D打印混凝土在满足传统混凝土强度、收缩等性能的同时，还应满足3D打印工作、力学及耐久性的要求，如混凝土的可挤出性能、可堆积性能、凝结时间控制、层间黏结性能。随着3D打印技术的发展，国内外学者对3D打印混凝土进行了一些研究，但尚不充分。本文从强度、层间黏结性、凝结时间、耐久性、经济效益方面对目前国内使用的混凝土进行了总结。目前应用于3D打印的建筑材料特性见表3。
3D打印建筑中由于没有预埋钢筋的支撑，需要以更高的强度抵抗外部荷载，相关学者的试验研究表明，选用硅酸盐水泥作为胶凝材料会使层间黏结力不足，降低抵抗弯矩剪切的能力；而采用其他水泥则需要在制备的过程中使用颗粒细度更细的水泥，颗粒越细水化后的早期和后期强度更高，但硬化作用也会使水泥石的收缩性增加而产生裂缝，对耐久性和结构性有不良影响。采用硅酸盐水泥作为打印材料需通过掺加聚合物等添加剂，应对硅酸盐水泥进行改良，减少收缩提高黏结力。磷酸盐水泥早期强度较高，1 h抗压强度可达40 MPa，且可通过控制初凝时间使层间界面消失，在很大程度上提高了层间黏结力。
3D打印过程中需要严格控制混凝土的凝结时间以保证打印效率、层间黏结力以及打印精度。普通硅酸盐水泥凝结时间较慢，严重限制了打印速率。快硬硫铝酸盐水泥早期强度较高、初凝时间在6min左右，可满足打印时间要求，也可掺加硅粉等控制矿物凝结时间和后期强度的发展，但相对普通硅酸盐水泥，成本略有增加。而磷酸盐水泥具有快速硬化的特点，可满足打印需求，且1h强度可达40MPa、抗折强度较高，可满足3D打印构件对承载力的要求。但磷酸盐水泥由于反应速度较快，易出现水泥石收缩的现象，进而影响构筑物的耐久性，目前可采用添加磷酸二氢钾及其复合盐对其凝结时间、体积稳定性进行调节。
除将水泥基材料作为打印基础材料外，也有相关学者将地聚合物为基础材料应用于建筑3D打印，实现了低碳减排、绿色生产的目的，相关的研究如南洋理工大学将地聚合物与粉煤灰、钢渣与某些化学品混合制成混合砂浆；哈工大某团队研究了硅酸盐聚合物料浆体流变学行为和固化行为的演变规律，从而满足3D打印对材料特殊性能的要求；XIA等试图将铝硅酸盐聚合物以粉末打印的方式应用于3D打印领域，为克服打印过程中层间黏聚力不足的问题，可采用黏结剂增加层间黏聚力，打印完成后再去除黏结层。
地聚合物具有低温制备的优点相对于传统水泥制品具有低碳环保的特点，混合以固体废料如粉煤灰、粒化高炉矿渣以及相关外加剂可实现绿色环保的3D打印。
2.2.2砂粒黏结打印
砂粒黏结打印按照模型预先分层的面，采用胶水在平铺的一层砂粒上对该层图案进行黏结直至完成全部结构，其打印过程如图3所示。
砂粒黏结打印应用于形状较为特殊的建筑物或工艺品的3D打印中，具有打印精度好、强度高的特点。XIA等将地聚合物颗粒应用于黏结打印，认为应该从粒径分布、孔隙度、渗透性等方面评价粉末材料的可打印性，在进行成品的打印质量、孔隙度及强度测试方面的测试方法值得借鉴。
2.2.3机器人砌块堆叠
2013年瑞士联邦理工学院采用机器人和算法建造了一个酿酒厂的外屋以及一栋具有扭曲外立面的办公楼，如图4所示。其曲面由机械臂将每块砖以精确的角度和间隔砌筑而成。
砌块堆叠机器人相对于人工来说具有很大的优势，例如，在异型建筑的建造过程中，人工很难控制异型构建的尺寸、角度及方向，而机器人可对异型构建进行建模、参数化，从而以精准的角度和位置安放每块砖，得到不同样式的建筑物。其优势在于节省人力的同时，可建造结构异常复杂的建筑。
3.3D打印技术在建筑领域的发展方向
3.1 建筑3D打印材料
3D打印建筑具有施工效率高且施工噪音小、绿色无污染的特点，采用的打印建筑材料也多是固体废弃物，因此，受到广泛的认可。但3D打印建筑在某些方面还存在不足，仍需继续研究改进。
（1）打印材料工作性问题。材料的凝固硬化时间受打印速度、温度影响较大，如何根据不同的打印速度、季节温度、添加外加剂或调整打印材料配方的方式对打印时间进行精确控制是研究的重要方向。
（2）混凝土强度问题。受混凝土强度限制，目前3D打印建筑均为单层或低层建筑，随着3D打印技术的推广如何提高3D打印的混凝土强度，使其应用于高层建筑甚至超高层建筑是需要进行研究的重要方向。
（3）目前，普遍采用的是将水泥基材料应用于3D打印，水泥的制备具有高污染、高能耗的特点不符合当下绿色发展的理念。因此，有必要研发一种绿色、低碳的3D打印材料，有学者采用低温制备的地聚合物以及粉煤灰等废弃材料应用于3D打印，但材料的性能尚有不足，因此，研究如何将地聚合物或其他不需高温烧结的原材料作为3D打印的材料也是急需解决的问题之一。
4.结语
（1）建筑3D打印具有绿色、高效、智能的特点，使得其成为未来建筑业发展的重要方向之一。
（2）以需求为导向可将现有建筑3D打印技术分为两大类：一类是以节省人力、绿色节能为目的，从而实现建筑产业工业化、智能化而存在的打印技术，该类技术将适用于更广泛的建筑领域，从而达到普遍化的效果，该类技术主要为混凝土挤出打印技术；另一类是为了满足人们对建筑个性化、特殊化要求而存在的建筑3D打印技术，以3D打印机器人去做建筑工人很难实施的复杂、高精度施工，该类技术主要为砂粒粘结打印和砌块堆叠打印。
（3）当前，建筑3D打印技术正处于研究和发展阶段。3D打印技术虽然已经可以打印出简单的建筑，但结构强度、安全性能、打印机器、打印范围以及大规模集群自动化建造仍是今后研究的重要方向。虽然3D打印在建筑业中的研究应用刚起步，还有许多问题亟待解决，但以其高效、智能、节能环保的优势，在建筑业具有光明的应用前景。
摘自《混凝土与水泥制品》
