混凝土建筑3D打印技术有哪些应用？一探究竟！

混凝土建筑3D打印研究现状

3D打印工艺

混凝土建筑3D打印工艺最早由Pegna于1997年提出，发展至今形成4种相对成熟的打印方法： D型工艺（D-shape） 、 轮廓工艺（contour crafting） 、 混凝土打印（concrete printing） 、 大型机械臂驱动的材料三维构造建造方法。

混凝土3D打印油墨材料

目前，混凝土3D打印材料主要通过挤压成型、逐层叠加的方式完成建造，打印后的材料缺少传统施工方式中的振捣环节。传统工艺大多采用钢筋混凝土结构施工建造， 若单纯使用油墨材料而没有钢筋协同工作，很难满足打印结构的强度要求，当拉应力超过材料抗拉强度时可能出现裂缝，严重影响打印效果。

混凝土建筑3D打印设备

3D打印设备是实现3D打印建造的重要环节，通常需连接打印机与控制系统，将3D打印建筑模型通过系统传输给打印机完成打印，打印机一般包括架体、打印头、升降架、水平移动架等组成部分， 现阶段常见的打印设备主要是桁架式3D打印机和龙门式3D打印机。

混凝土建筑3D打印实际应用

国内外近年来已有高校和企业利用混凝土3D打印技术完成建造，但大多是示范性个例，尚未形成规模化的打印建造。

▲ 3D打印应用

混凝土建筑3D打印实际应用场景

建筑3D打印技术的使用最大的目标并非解决技术问题，而是提高施工效率、节约工程成本、实现自由建造，由于3D打印建筑在打印强度、建筑承载力方面无法与传统钢筋混凝土结构相比， 建筑3D打印不会完全取代传统的施工建造技术，而是良性补充。

考虑到目前建筑3D打印技术尚不成熟，打印规范还未成型，打印的建筑物还不能达到我国规范、标准要求，因此未来短期内3D打印应避开现行规范强制满足要求的结构或构件，转而从 城市公共设施，如公交车站、污水处理池、风景园林装饰构件、临时构筑物（如挡土墙）等入手 。通过政府、环保部门或其他非营利组织的配合与资金投入，打印一批成本相对较低、结合当地环境和社会需要的构筑物， 城市基础设施更新、历史古建筑修缮保护等也可利用3D打印技术， 突出3D打印自由建造、因地制宜、节约成本的优势。

▲ 3D打印污水井、车站

▲ 3D打印挡土墙、园林构件

建筑3D打印在建造异型构件、异型建筑等特殊造型方面具有优势 ，即节省传统施工对模板的依赖，提高经济性，基于3D打印方式，可加快建造速度、节约材料，进一步实现建筑的艺术性，具有广阔的发展前景。

我国是地震多发国，3D打印对建造应急性、临时性的建筑物具有优势。 一旦发生地震等灾害，可利用3D打印技术为灾民建造临时住所，加快灾后重建。我国很大一部分农村自建房属于无设计图纸、无施工资质、无施工监管的产品，3D打印技术可实现从设计到施工全过程采用工业化设备，有效减少项目管理人员及对建筑工人的过度依赖，在农村批量打印建造，大幅降低建造成本，提高建房效率，在满足农民低成本建造要求的同时，大幅提高农村老百姓的住房生活品质，同时，顺应逆城镇化潮流，改变农村单一不变的建筑结构，实现个性化订制。面对突发疫情等紧急公共卫生事件，建筑3D打印技术能提高建造效率、简化建造工序、降低劳动人员密度，短时间内提供大量的防疫建筑，减少人员聚集，是实现3D打印技术应用的重要场景。

在面对高温、严寒、沙漠等特殊天气及灾后、山区、水下等施工环境，传统施工方法受制于地形、人力、设备等，施工难度高、施工成本大、施工效率低， 建筑3D打印技术可弥补传统施工方法的缺点，实现特殊施工又好又快的建造。

结语

通过对建筑3D打印梳理，总结能够发挥建筑3D打印优势的使用场景如下：①逆城镇化下的新农村建设；②极端天气、极端环境下的施工；③城市公共设施；④异型构件、异型建筑、曲面及大跨等传统施工方法难以建造的现代建筑；⑤应急建筑、灾后临时构筑物等。可根据这些应用场景对建筑3D打印应用进行自上而下的研究，分析3D打印应选用的材料特性、施工工法、机械设备、软件系统等。

本文节选自《混凝土建筑3D打印技术工程应用分析》，原文刊载于《施工技术（中英文）》2021年第18期