3D打印技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用與趨勢

來源：新材料新裝飾

3D打印技術(shù)是將原材料通過噴嘴,，依據(jù)三維切片模型進行逐層堆積材料而直接得到實物的技術(shù),。該項技術(shù)得益于其獨特的制造方法，大大增加了模型的幾何自由度，減少了對于人工的依賴性，節(jié)省了原材料與時間,，是一種低能耗、低排放的新興技術(shù),。易于與新能源,、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)實現(xiàn)跨界融合和多場景疊合應(yīng)用,，構(gòu)成第四次產(chǎn)業(yè)革命的重要支撐和創(chuàng)新技術(shù),。3D打印技術(shù)在建筑業(yè)的應(yīng)用最早始于20世紀90年代末，吸引了全球眾多企業(yè)和大學(xué)的研究和參與,，截至目前已經(jīng)出現(xiàn)了40多種不同的打印技術(shù),。對于3D打印技術(shù)的研究，其主要集中于材料配比和施工方法,，少有針對3D打印技術(shù)的詳細討論和分類。

1 3D打印技術(shù)分類及其在裝配式建筑中的應(yīng)用
在美國材料與試驗協(xié)會（American Society for Testing and Materials, ASTM）與國際標(biāo)準化組織（International Organization for Standardization, ISO）在聯(lián)合發(fā)布的3D打印技術(shù)標(biāo)準中,，3D打印分為立體光固化,、材料噴射、粘結(jié)劑噴射,、粉末床熔融,、材料擠出、定向能量沉積和薄材疊層七種,，目前應(yīng)用于國內(nèi)外建筑業(yè)的主要有四種,，分別為粘結(jié)劑噴射、材料擠出、粉末床熔融和定向能量沉積,。

材料擠出是通過噴嘴擠壓材料,，并將其逐層沉積。該方法由Crump發(fā)明,，由于其需要將打印材料從高溫噴嘴中擠出沉積,，因此該技術(shù)也稱為熔融沉積成型技術(shù)，并以此商業(yè)化,，逐漸廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)和廉價個人3D打印機,。例如，Khoshnevis開發(fā)的輪廓工藝技術(shù),，Gosselin等開發(fā)的名為XtreeE的六軸機械臂打印技術(shù)和應(yīng)用最廣的混凝土打印技術(shù),。

粘合劑噴射與材料擠出相反，由粘合劑作為油墨,，選擇性地將液體粘合劑噴射到每一層材料上,，以將粉末粘合在一起，將粉末材料一層一層地沉積,。該技術(shù)特點是成型速度較快,，可彩色打印且無需支撐，常適用于較小和精度較高的零件打印,，于1997年由Pegna首次提出,。

粉末床熔融是以激光和電子束為能量源，選擇性地熔融金屬材料粉末床的工藝,。此類技術(shù)主要應(yīng)用于建筑中的金屬及玻璃構(gòu)件的制造,，有利于減少材料浪費和提高生產(chǎn)效率。

定向能量沉積是利用熱能融化材料,，使其逐層沉積,，主要用于打印大尺寸金屬構(gòu)件和修復(fù)受損金屬零件。對于薄板層壓工藝,，F(xiàn)abrisonic曾開發(fā)出一種超聲波3D打印系統(tǒng),，并可用于建筑業(yè)金屬構(gòu)件制造，但由于其制造成本過高,，尚未在建筑業(yè)得到成功應(yīng)用,。

經(jīng)實踐證明，在建筑業(yè)能夠成功應(yīng)用的3D打印技術(shù)主要為材料擠出,、粘合劑噴射和粉末床熔融,。表1按照時間順序梳理了3D打印技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用，并分別介紹了不同技術(shù)的特點,。從3D打印技術(shù)的發(fā)展路徑可以得出結(jié)論：3D打印在建筑業(yè)的發(fā)展過程從非現(xiàn)場化走向現(xiàn)場化和移動化,，從單一材料走向多種材料和復(fù)合材料,，從打印墻體再到打印與建筑相關(guān)的塑料構(gòu)件、金屬構(gòu)件和玻璃構(gòu)件等,，既有大型的龍門式打印系統(tǒng),，也有小型機器人和無人飛行打印系統(tǒng)。

2 應(yīng)用場景
2.1 設(shè)計階段

3D打印在非標(biāo)準化構(gòu)件上具有明顯優(yōu)勢,，生產(chǎn)成本低且效率高,，為裝配式建筑的個性化設(shè)計提供了解決方案。在傳統(tǒng)的制造技術(shù)下,，結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和其制造成本呈正相關(guān),，因此產(chǎn)品設(shè)計很大程度受限于制造水平，建筑的設(shè)計往往形式比較單一,，而3D打印有利于推動“設(shè)計為了制造”過渡到“制造為了設(shè)計”,。3D打印技術(shù)有助于建立一個包含3D打印、BIM,、客戶,、設(shè)計師的數(shù)據(jù)共享云平臺，促進客戶與設(shè)計師的交流,，推進供應(yīng)鏈的信息化和數(shù)字化,。3D打印與BIM結(jié)合的打印過程為：BIM—三維模型—切片—切層合并—3D打印—實物。BIM為3D打印提供了數(shù)據(jù)支持,，有助于為裝配式建筑的打印提供精準空間定位信息,，完成高精度打印，還可以結(jié)合增強現(xiàn)實技術(shù),、熱成像技術(shù),、激光技術(shù)等提高建筑的可視化，發(fā)達的信息網(wǎng)絡(luò)和完整,、全面的建筑工程信息庫可以促進多方協(xié)作,，保障建筑設(shè)計與施工，提高供應(yīng)鏈運作效率,，推動建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級,。另外，3D打印有助于實現(xiàn)拓撲優(yōu)化,，通過改變形狀和結(jié)構(gòu),，利用更少的材料實現(xiàn)更多的功能，保障建筑質(zhì)量,、降低建筑重量，同時通過在縫隙中填入其他材料為建筑賦能,，如隔熱或隔音等,。

2.2 打印階段

建筑3D打印與裝配過程如圖1所示,，其主要適用于多層建筑。先在工廠中打印構(gòu)件,，在施工現(xiàn)場完成地基后,，將構(gòu)件運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進行裝配，然后局部澆筑混凝土,，最后修飾外立面,，這一過程與裝配式建筑的施工方式相似。3D打印不僅可以打印單面墻體,，也可以打印建筑外飾面和內(nèi)部家具構(gòu)件,，最終通過裝配得到成品建筑。在裝配式建筑中,，3D打印還可用于構(gòu)件模板的打印,。模板是預(yù)制混凝土構(gòu)件生產(chǎn)的重要裝置和設(shè)施，其質(zhì)量直接影響構(gòu)件的成型和構(gòu)件的質(zhì)量,。目前,，鋼模板是構(gòu)件生產(chǎn)企業(yè)廣泛使用的一種模板，其剛度大,，變形小,，使用壽命長，但成本投資較大,，回收利用率低,。由Laing O'Rourke開發(fā)的FreeFAB蠟制模板可以通過較細小的噴嘴打印預(yù)制構(gòu)件模板，這種蠟?zāi)０蹇梢砸暂^低的精度快速創(chuàng)建,，隨后可以通過銑削技術(shù)切割成精確的形狀,，在使用完成后可以加熱回收該材料，并重新利用,。實證研究表明,，F(xiàn)reeFAB將整個模具制造時間縮短了6.5倍。雖然蠟制模板取材容易,、成本較低,，但是此類技術(shù)在工藝和材料上仍需要進一步探索和實證，其是否會像木制模板受熱遇濕后變形,，剛度與打印速度是否能支撐大批量混凝土構(gòu)件生產(chǎn),，仍有待進一步研究探索。

2.3 施工階段

在施工現(xiàn)場經(jīng)常面臨構(gòu)件組裝時產(chǎn)生誤差較大的問題,，其往往會導(dǎo)致構(gòu)件需要現(xiàn)場替換甚至返廠再造,。3D打印可以現(xiàn)場掃描并打印所需缺損部分或填充物，從而減少在制造,、建造和現(xiàn)場修改過程中花費的時間,。麻省理工學(xué)院開發(fā)了一種移動數(shù)字化建筑平臺,，利用快速擠出的泡沫作為模板用于現(xiàn)場設(shè)計，掃描和打印所需構(gòu)件,。3D打印同樣可以現(xiàn)場打印特殊的套管,、吊架、零件等,，還可以檢測需要維修的區(qū)域,，并使用3D打印在損壞區(qū)域進行維修或直接打印。例如,，西門子通過銑削部門表面損壞區(qū)域,，然后通過3D打印新的材料層維修燃氣輪機燃燒器，以使其繼續(xù)運轉(zhuǎn)或滿足新的設(shè)計要求,。

2.4 物流階段

裝配式建筑構(gòu)件的生產(chǎn)速度較慢,，往往需要提前生產(chǎn)構(gòu)件，將生產(chǎn)出的構(gòu)件在工廠或施工現(xiàn)場進行存放,，以備使用,，而建筑構(gòu)件由于體積大，易損壞,，在運輸,、存放、吊裝的過程中需要嚴格保護,，對于物流和存儲具有較高的要求,。3D打印可以靈活生產(chǎn)，減輕庫存壓力,。制造商利用3D打印按需生產(chǎn)的能力,，可以及時生產(chǎn)客戶所需的構(gòu)件，減少庫存成本,，還有助于供應(yīng)鏈隨時加入新的合作企業(yè),，減少備件庫存的準備量和投入，將相關(guān)成本投入更新設(shè)計以反饋需求,。此外,，由于3D打印具有拓撲優(yōu)化的能力，建筑構(gòu)件重量會較輕,，因此運輸和存放的保護難度可能會減小,。


3 3D打印技術(shù)發(fā)展趨勢
3.1 非標(biāo)準化建筑

混凝土打印和預(yù)制生產(chǎn)的成本在實證研究對比下，可以將整體的建筑成本降低25%,，節(jié)約的成本主要來自于模板和人工,。而在打印單面墻體時，則混凝土打印成本較高,。由此可見,，構(gòu)件的復(fù)雜程度與3D打印的成本效益和生產(chǎn)率呈正比,。

Krimi等[6]以法國某建筑公司為例，討論了預(yù)制生產(chǎn)和混凝土打印的建造速度和盈虧平衡,。實證表明混凝土打印的生產(chǎn)速度高于預(yù)制生產(chǎn)，并遠高于現(xiàn)澆生產(chǎn),，這是由于3D打印可以實現(xiàn)高度自動化,，24 h連續(xù)施工，但是限制于每天8 h施工時間,，則預(yù)制生產(chǎn)效率高于混凝土打印,，且不計算3D打印構(gòu)件后續(xù)需要處理表面紋理的時間。最后結(jié)合成本計算出3D打印與傳統(tǒng)建造方式的盈虧平衡點,。3D打印的成本是恒定的,，而傳統(tǒng)方法的成本與生產(chǎn)數(shù)量成反比，前者適合于小批量生產(chǎn)和復(fù)雜構(gòu)件制造,，后者適合大批量生產(chǎn),。因此，節(jié)省時間和成本未必是應(yīng)用3D打印于建筑業(yè)的優(yōu)勢,，個性化定制,、復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造和靈活生產(chǎn)才是關(guān)鍵優(yōu)勢。

3.2 穩(wěn)定和多功能的油墨材料

Mohan等總結(jié)了目前混凝土打印的主要問題在于材料的穩(wěn)固性和耐久性,，需進一步探索抗拉強度和延展性較好,，又同時不損失3D打印固有靈活性的材料。Anton等通過跨學(xué)科的合作和實驗開發(fā)了一個用于定制柱狀體構(gòu)件的自動3D混凝土打印預(yù)制平臺,，用于生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的柱狀預(yù)制構(gòu)件,，能夠提供穩(wěn)定的固化環(huán)境，實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的混凝土打印,，目的是推動大規(guī)模構(gòu)件3D打印在裝配式建筑中的應(yīng)用,。結(jié)果表明，經(jīng)混凝土打印的預(yù)制柱狀構(gòu)件的耐用性仍需改善,。構(gòu)件在室外條件下10個月便出現(xiàn)了裂縫,，證明其暫不適合直接暴露于戶外條件，耐用性低,。而且,，3D打印混凝土目前的幾何復(fù)雜度仍然有限，需要不斷改良打印系統(tǒng),，尋找穩(wěn)定高效的油墨材料和打印速率,，雖然在打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件上具有明顯優(yōu)勢，但是當(dāng)預(yù)制柱體較為常規(guī)時,，則不具備與傳統(tǒng)建造方式競爭的實力,。

新型油墨材料可以為建筑賦能,。Winsun使用回收垃圾作為油墨材料，如工業(yè)固廢,、建筑固廢,、礦山的尾渣、煤矸石等,，并且其目前正在開發(fā)在油墨中加入石墨烯,。石墨烯由于其在光學(xué)、力學(xué),、電學(xué)具有出色的表現(xiàn),，能夠吸收電磁波和聲波，具有良好的導(dǎo)熱性,、導(dǎo)電性和防水性,。經(jīng)過試驗證明，在每升油墨中加入0.35 g石墨烯,，可以減少一半對水泥的使用需求,，建筑的強度、抗壓,、抗彎性大大提高,，并且減少了由于混凝土吸熱排放的大量溫室氣體。在每升油墨中加入0.8 g石墨烯,，建筑的防水性將提高400%,，耐用性也得到提高。

3.3 完善法律法規(guī)

目前,，3D打印建筑企業(yè)及同類公司面臨的主要問題是缺乏3D打印建筑的驗收標(biāo)準和規(guī)范,，相關(guān)法律法規(guī)不明確。3D打印建筑使用的油墨材料和傳統(tǒng)的混凝土相似,，但在結(jié)構(gòu)上具有很大區(qū)別,，因此3D打印建筑的驗收標(biāo)準不同于傳統(tǒng)建筑，而且需要長時間的探索和研究,，使3D打印建造技術(shù)達到一個成熟與穩(wěn)定的狀態(tài),，這一過程需要與高校和科研機構(gòu)合作。就目前情況來看,，由于鄉(xiāng)村的建筑不需要復(fù)雜的審批和驗收,，短期內(nèi)大多數(shù)3D打印建筑應(yīng)用的場景可能會在鄉(xiāng)村。


4 結(jié)語
建筑業(yè)的數(shù)字化程度和自動化程度是最低的行業(yè)之一,，雖然BIM和預(yù)制生產(chǎn)提高了施工效率和建筑質(zhì)量,，降低了工程成本并提高了施工安全性。但是模板化、批量化的生產(chǎn)方式導(dǎo)致了建筑的單一化和標(biāo)準化,，3D打印雖然能夠?qū)崿F(xiàn)低成本的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造,，滿足個性化設(shè)計，但是其在裝配式建筑中的規(guī)模應(yīng)用仍在實驗與研究階段,，尚未有成熟可靠的技術(shù)與工藝,，材料的穩(wěn)固性和耐久性仍待進一步研究和探索。本文總結(jié)了3D打印技術(shù)在裝配式建筑中的發(fā)展現(xiàn)狀和未來的發(fā)展方向,，其具有可觀的前景和市場,，但是仍然需要進行跨學(xué)科研究,，研究使用多種材料,、多種工藝進行打印的方式,。