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(jìn)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(jì)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(xì)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(zhǔn)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(zhǔn)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(jī),。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(jī)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(jī)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(zhǔn)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(jìn)客戶與設(shè)計師的交流,，推進(jìn)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(zhǔn)空間定位信息，完成高精度打印,，還可以結(jié)合增強(qiáng)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(dá)的信息網(wǎng)絡(luò)和完整、全面的建筑工程信息庫可以促進(jìn)多方協(xié)作,，保障建筑設(shè)計與施工,，提高供應(yīng)鏈運(yùn)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?fù)鋬?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(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進(jìn)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(xì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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?xì)廨啓C(jī)燃燒器,，以使其繼續(xù)運(yùn)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(jìn)行存放,，以備使用，而建筑構(gòu)件由于體積大,，易損壞,，在運(yùn)輸、存放,、吊裝的過程中需要嚴(yán)格保護(hù),，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(zhǔn)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?fù)鋬?yōu)化的能力,，建筑構(gòu)件重量會較輕，因此運(yùn)輸和存放的保護(hù)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(zhǔn)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(yuǎn)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(jìn)一步探索抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(zhǔn)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(zhǔn)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(dá)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(jī)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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行跨學(xué)科研究，研究使用多種材料,、多種工藝進(jìn)行打印的方式,。