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摘要：针对当前3D打印建筑技术存在的材料、工艺、规范标准、整体技术研发、专业人才等短板,提出了加快制定国家标准及规范、政府政策支持、深化关键技术研发、促进人才培养等多项发展建议。
关键词：建筑3D打印材料；应用技术；发展探究
引言：3D打印被认为是“第四次工业革命意义的制造技术”，3D打印材料的技术门槛较高，直至近几年，中国3D打印行业才开始真正发展起来。目前我国3D打印材料技术和工业化水平不断提高，不断涌现出世界领先水平的3D打印材料，基本形成了较为成熟的产业链，除了能打印建筑外壳，还可以打印后端的家具等物件，在上下游产业均有建树。
1.3D打印技术原理与建筑3D打印材料概念
1.1 3D打印技术原理概述
3D打印技术，亦称增材制造（Add material manufacture）技术，其原理是3D打印机运用CAD创建的模型设计为模板，不需要传统刀具、夹具和机床，通过打印机软件将其创建的模型先分解为若干个二维的层面，然后将材料通过喷嘴等装置逐层堆积，就可以打造出任意形状，最终形成3D物件成品。[1]
3D打印技术起源于美国，1983年美国发明家Chuck Hall发明了世界上第一台3D印刷机，成为3D打印机的雏形。随着1988年发明的分层实体制造技术，1989年进一步发明了粉末激光烧结技术，1992年研发出熔融沉积制造技术，基于上述工艺，美国麻省理工学院于1993年发明了3D打印技术，直至2010年全球首个3D打印的完整作品———汽车Urbee由美国Jim Kor团队的3D打印机打印完成。
1.2 建筑3D打印材料概念
建筑3D打印材料正是利用分层堆积的基本原理，采用工业机器人逐层重复铺设材料层构建自由形式建筑结构的新兴技术。主要成型方法包括喷墨粘稠粉末（3DP）和熔融挤出（FDM），新近又出现了压电喷墨、气动、电动和电流体、动力注射式和混合式等新型方法。
当前的3D打印建筑技术主要有三种：D型工艺（D-Shape）、轮廓工艺（Contour Crafting）和混凝土打印（Concrete Printing）。[2]其中最具代表性的“轮廊工艺”，即建筑轮廓打印方法，由美国南加州大学的Behrokh Khoshnevis教授发明，是一种基于混凝土的自动化施工方法，3D打印设备由一个巨型的三维挤出机械构成。该项技术早在2004年就已能“打印”出规格1.52 m×0.91 m×0.15 m的建筑部件。
和传统的建筑施工方式相比，3D打印建筑技术减少了多道传统的筑造工序：如材料粗加工、现场放样、支模、切割、吊装等，有效减少装配零件数量，降低了制造、设备、材料、人工、库存成本，同时实现一体设计，一体成型。现今的“轮廊工艺”系统已经不仅能打印出房屋的墙壁和围护结构，也能创建建筑物基础，建成的建筑可以有效抵挡地震和其他自然灾害。3D打印建筑工艺不仅造价省、建造速度快、制造安全，而且能利用废旧物料，极大减少环境污染，实现绿色环保节能筑屋。
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2.建筑3D打印材料应用技术现状
据统计分析，国际涉及3D打印技术研究较为广泛的领域是工程技术、机械工程和计算机科学技术等，而土木建筑工程领域研究不足1%。国内则广泛运用于计算机科学技术、经济学和临床医学等领域，在土木建筑工程领域研究仅占3.2%。3D打印技术真正应用于建筑领域开始于2013年，在全球范围内，3D打印建筑技术相对领先的国家是美国、俄罗斯、荷兰、英国、日本、中国、阿联酋等国。2013年美国完成了世界上第一个3D打印建筑架构；2014年荷兰开建的Landscape House成为全球首座3D打印建筑，同时荷兰机器人公司MX3D完成的跨度12m长人行天桥Bridge项目，从2015年10月正式启动，中途几度中断，历经30个月，直到2018年4月才完成整个桥体，是全球首座3D打印技术的钢桥；泰国的水泥制造商SRI公司，于2017年开发的项目“三倍S”3D技术，推动在建筑领域以3D建模方式便捷地建造居住空间；迪拜推出了宏大的3D打印战略计划，即2025年前25%比例的新建筑都将采用3D打印技术制造。
在我国，2014年4月，首批3D打印建筑在上海建成；2015年1月，在苏州建成了3D打印别墅住宅。2019年1月，跨度26.3 m堪称全球最大规模的混凝土3D打印步行桥，仅用450 h在上海宝山打印成型。此3D打印系统在机器臂前端打印头、打印路径生成及操作系统、独有的打印材料配方等方面的创新领先于国内外同行，且造价仅为普通桥梁造价的2/3。河南太空灰三维建筑打印科技有限公司已经开发了第二代智能3D建筑打印机，可打印任意形状实体，能应用于商业化，该系统可精确到点，连续打印无断点，还可以配合钢筋（笼）的交叉插入放置，根据需要智能暂停后可自动精确定位上次打印的位置。太空灰3D建筑打印技术在古建筑凉亭、公厕、污水井、景观墙、市政产品等方面也有广泛运用。
在政策环境保障上，国家对于3D打印材料等新材料行业给予了重点支持。《绿色建筑行动方案》《中国制造2025》《“十三五”材料领域科技创新专项规划》《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》等政策先后出台，为我国3D打印材料的发展提供了保障，也为3D打印建筑的智能制造提供了坚实的基础保障。《“十三五”材料领域科技创新专项规划》提出到2020年，要实现3D打印材料80%以上国产化，对国内3D打印建筑提出了明确的目标要求。
3.建筑3D打印材料发展探究
联合国预测，到2050年，全球生活在城市的人口比例将由今天的54%上升到66%。截止2018年底，中国的城镇化率已经达到59.58%，但距离发达国家的70%尚有一定的发展空间。当前中国每年仅开发的商品住房建设竣工面积就达近10亿m2，此外还有数量庞大的商业、及公建项目。人工智能、物联网、虚拟现实、区块链等前沿科技与建筑和房地产市场的融合程度在不断深化,以满足建造领域各环节更高层次的市场需求，提升能源效率。3D打印、BIM技术、装配式技术的发展和创新推动了建筑从制造到“智造”,给项目全生命周期的各个环节带来巨大变革。[11]全球最大的住宅开发商万科集团创始人王石公开指出，3D打印建筑是将来万科住宅生产方式的升级方向，以顺应新时期市场需求端的要求。
结语：根据国际国内建筑业发展现状，预计在未来的10～20年内，3D打印在建筑领域上的应用或将逐步替代当下传统粗放的建筑技术，即便3D打印技术不可能完全替代传统建筑方式，也将是新技术与传统工艺更深层次融合补充。若将来的科技能实现材料粉末甚至分子层级重组的技术突破，3D打印终将从本质上颠覆整个传统建筑领域的根基。中国的建筑业必须要瞄准升级为集成式、精细化、技术密集型的新生产方式，着力发展具有自主知识产权的3D打印建筑技术,以数字建造技术构建中国建筑业的“信息化”时代，为全面推进绿色智能筑造贡献中国方案。
参考文献：
[1]苏达.3D打印建筑结构材料的性能研究[J].工程建设与设计，2016,(7):52-54.
[2]罗毅.3D打印建筑的应用与发展前景[J].现代城市,2019,14(03):23-27.
论文作者:于洋
论文发表刊物:《防护工程》2019年19期
论文发表时间:2020/3/3
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