1. 引言
3D打印技术是指通过数字建模，将材料进行叠加并且利用相关的3D打印设备将其构造还原出来。在建造领域中与传统的建造方式最大的不同是它采用增材建造，可以极大地减少材料的浪费。3D打印技术是一种快速建造技术，3D打印技术最早起源于19世纪末的美国，但是直到20世纪90年代才开始被人们所了解 [1] ，经过30多年发展，3D打印技术在机械制造，航天以及医疗领域有了已经有了大量的应用，但是在建筑领域还处于起步阶段，2014年世界上第一座由3D打印技术建造而成的“莫比乌斯环屋”在荷兰建成，标志着3D打印技术在建筑领域进入了新的发展阶段。在3D打印技术的影响下，未来的建筑领域未来有望由传统重工业逐步向更智能化、轻量化和定制化的工业类型转型 [2] 。
2. 3D打印技术概述
3D打印技术是以计算机模型为基础，用金属粉末或其他胶凝材料，通过逐层打印的方式进行物体构造的技术。作为一种新兴的技术，其独特的增材建造模式可以使物体构造快速成形，因此经常被用在快速建造的领域。与航天、医疗领域不同的是，在建筑领域需要更加大型的打印设备，通过计算机控制，将混凝土等胶凝材料用大型打印设备打印出建筑物。3D打印技术将设计、施工等程序集成一体化，使其同时具有绿色建筑的环保性和装配式建筑的便捷性。
3. 3D打印建造技术的优势
3.1. 提高施工的环保性
目前3D打印建造所需要的材料是建筑垃圾，工业尾矿等废旧材料，通过加工处理等手段与高强度混凝土进行一定比例的配合形成3D打印的材料 [3] 。其本身的材料构成就决定了3D打印建造技术的环保性。3D打印施工的过程非常的简洁干净，在进行打印时只进行混凝土的搅拌即可，不需要电焊和熔融等重工业的参与，相应的也不会产生有毒物质，符合绿色施工的规范。同时3D打印建造技术对操作空间的范围要求不大，对场地的破坏也会减少。
3.2. 提高施工效率
传统的建筑物在施工时是从地基开始一步一步进行设计建造，这样的建造方式一方面会消耗大量的人力等资源，另一方面会浪费许多的时间，施工时效率很低 [4] 。3D打印建造技术很好地解决了这一问题，3D打印在进行施工建造时可以直接将建筑模型转化为打印的文件，然后进行施工打印和交付使用，大大地缩短了建筑的施工周期，同时也减少了50%~90%的施工成本 [4] 。
3.3. 设计个性化
随着科学技术的发展，如今人们对建筑的要求也越来越高，对建筑物的美观性和舒适性的要求上升了一个水平，尤其是建筑物的设计要求，越来越多的建筑物采用流线性的设计方案。然而，流线性的建筑在进行施工时不仅耗费建筑成本，而且施工工序复杂繁琐，大大地增加了施工的难度。3D打印技术在建造过程中由计算机控制打印设备进行打印，不需要现场的图纸定位即可实现人工无法实现的造型。由于3D打印建造技术的设计——打印一体化的流程，可以根据用户自己需求所设计的个性化方案进行短期的快速打印，这是传统的建造方式所不能及的。
4. 3D打印建造技术的发展研究
4.1. 材料方面
目前3D打印建造技术所需的材料以无机材料为主，例如硫铝酸盐水泥，硅酸盐水泥，黏土等 [5] 。楚宇扬等 [6] 通过将硫铝酸盐水泥掺杂到普通硅酸盐水泥中发现混合的混凝土材料具有初凝时间短，早期强度高的特点，同时当掺杂量为14%~20%时混合水泥的初凝时间，流变性和早期强度均满足3D打印材料的要求，研究还发现掺杂硫铝酸盐水泥虽然可以提高混凝土的早期强度，但是会使其后期强度降低。石从黎 [7] 等通过对3D打印建造技术的研究发现通过将普通水泥与快硬水泥配合使用可以使快硬水泥快速硬化从而支撑起未硬化的部分，解决普通水泥早期强度不够的问题。
3D打印建造技术的材料性能不仅与水泥有关，还与其他的外加剂和配合比都有密切的关系。在含砂率方面，LIUZ [8] 等通过实验得到当含砂率小于0.235时混凝土的静屈服应力会随着水泥的增加而增加，但是当含砂率大于0.24时结果则会相反。在外加剂方面，罗素蓉 [9] 等通过在水泥基材料中掺杂氧化石墨烯增强了水泥基材料的性能，实验表明添加0.03 wt%~0.05 wt% GO后，加速了水泥水化进程，有利于3D打印水泥基材料各个方向力学性能的增强，和未掺入的GO组别相比掺入氧化石墨烯的水泥基材料在X，Y和Z方向的抗折强度和抗压强度都有增强。吴伟鸿 [10] 等研究了矿物掺合料对3D打印水泥基材料的力学性能影响，结果表明，只掺杂一种材料时，粉煤灰和矿粉会降低材料的抗压强度和抗折强度，硅粉则会提高材料的抗压和抗折强度。同时掺杂两种材料时，硅粉和矿粉对应的材料强度优于基准组，粉煤灰和硅粉组合以及粉煤灰和矿粉组合材料强度低于基准组。李维红 [11] 等研究在3D打印水泥基材料中加入纤维对材料力学性能的影响，结果发现，在材料中加入PVA和玄武岩纤维可以有效地提高3D打印水泥基材料的抗折强度，对于PVA纤维来说，掺杂6 mm和12 mm符合最优，对于玄武岩纤维来说，6 mm单独加入最优。在材料的配合比方面，乔星宇 [12] 等通过以硅酸盐水泥为主，辅以减水剂，速凝剂和纤维的混合打印材料研究得到了3D打印材料的最佳配合比。如表1所示：
Table 1. 3D Basic mix ratio of printed concrete
表1. 3D打印混凝土基本配合比
Rubio等 [13] 通过研究不同的配合比对3D打印砂浆的流变特性的影响发现添加24%的粉煤灰和8%的硅粉对于砂浆的强度，粘结性能和可挤出性都有一定程度的提高，同时还降低了砂浆流动性和泌水性。Ma等 [14] 通过通过用铜尾砂与天然砂的质量替换实验，确定了以水胶比为0.26，砂尾比为3:2，用70%的水泥、20%的粉煤灰、10%的硅灰和1.2 kg/m3的短切聚丙烯纤维组成的配比能够得到最佳的性能。Khalil等 [15] 通过对普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复掺的实验，最终研制出了由93%的普通硅酸盐水泥和7%的硫铝酸钙盐水泥相配合，砂灰比为2，水灰比为0.35，减水剂为0.26%的砂浆配比，得到的打印材料性能其打印层数可以叠加到超过25层。
通过上述研究说明，无论是水泥的种类还是矿物掺杂料选择，或是减水剂，速凝剂和纤维的掺入，都会显著提高3D打印材料的性能和强度，具有一定的正面效果。但是过量的掺入硫铝酸盐水泥降低材料的强度。同时研究也表明硅粉的掺入可以让3D打印所需的材料达到要求的强度，所以硅粉将会成为提高3D打印材料性能较好的外加剂。在材料的配合比方面，目前的研究大部分都是基于外加剂的经验配比，没有形成统一的标准和规范，缺乏通用性的理论研究。
4.2. 打印设备方面
对于3D打印建造技术来说，除了材料本身的质量之外，与打印设备的发展也有密切的关系。2004年南加州大学的Khoshnevis Behrokh发明轮廓工艺 [16] 将传统工艺中的抹刀与打印机相结合，保证了逐层打印的平整性，可以进行大型的建筑物的打印。随着科学技术的发展，基于轮廓工艺，2008年，英国拉夫堡大学的Sungwoo Lim提出“混凝土打印”技术 [17] 不同于轮廓工艺只打印建筑构件，3D打印混凝土技术利用大型三维打印设备，用更小的喷嘴结构实现更高精度的打印，并且在打印的同时预留钢筋位置，打印完成后完成相对应的配筋。Gosselin等 [18] 依据现有混凝土工程的局限性提出了新的工艺，研制了一种六轴机械臂，解决了3D打印中出现的复杂的几何问题。在国内3D混凝土打印的设备也取得了初步研究进展，2015年，我国华中科技大学丁烈云 [19] 团队自主研发出了适用于混凝土打印的三维打印装置实现了2 m × 2 m的建筑构件打印。2017年我国的清华大学徐卫国 [20] 研究团队提出将机械臂改装为3D打印机器人，利用机械臂的高精度与自由度的特性，成功的将设备运用于3D打印建筑物与建筑构件之中。对于3D打印中的钢筋问题，Mechtcherine等 [21] 通过对钢筋混凝土结构的研究，提出了气–金属电弧焊3D打印钢筋的新工艺，并对新型钢筋的力学性能进行了研究，结果表明，与传统钢筋相比，3D打印钢筋的屈服应力和抗拉强度降低了约20%，但是具有更高的的屈服和应变能力，同时，打印钢筋与可打印细粒混凝土的结合性能良好，其性能可与普通钢筋混凝土相媲美；所开发的基于气电弧焊的3D打印工艺在实际钢筋生产中也具有足够的几何精度和几何自由度，生产速度也十分合理。
目前3D打印在建筑领域还处于起步阶段，3D打印设备的发展在今后的发展中起到了关键的作用，研究表明，多轴的打印设备在处理打印建造过程中出现的问题时有着更好的优势。但复杂的3D打印建筑对混凝土在初凝时间和快速硬化以及可操作性上有更高的要求。而对于3D打印中的配筋问题则是提出了新的打印钢筋工艺。所以对于打印设备的研究还需要进行深入、系统的研究，否则会出现数据与实际工程不匹配的问题。
4.3. 打印路径方面
3D打印的路径也是决定3D打印建造技术的重要因素，不同的路径选择决定了最终打印建造的建筑物形态。在打印的路径方面黄舒奕 [22] 通过对3D打印建筑打印路径的探索对打印路劲进行了三种总结：水平逐层打印是目前最为常用的打印建造方式，适用于微弱的曲面或斜面。变平面打印是六轴机械臂特有的打印建造方式，适用于不同构件之间复杂的组合情况。曲面打印则具有更加丰富的形态。李荣帅 [23] 基于DE对于3D打印路径的研究中通过引入DE算法对打印路径问题进行了求解，对于各项指标下的选择最优打印规划路径有了新的解决方式。马宗方 [24] 等采用欧拉回路模型对3D打印路径进行了算法优化，实验证明了打印喷头抬起次数与打印路径的空行程对3D打印的质量和打印时间有着重要的影响，利用欧拉回路优化算法使喷头抬起次数减少了57.14%，空行程减少了23.21%，对3D打印技术中存在的问题进行明显的改进。
从研究进展来看，采用DE算法进行求解具有简单方便且不易陷入局部最优解的特点，采用欧拉回路进行算法则是从打印喷头和打印行程方面进行优化。研究人员大多是从算法层面进行打印路径的优化，都是基于实际问题所提出的针对化打印路径的优化，当工程问题发生改变时，优化的打印路径算法就会失效。所以对于打印路径的研究不能局限于算法层面，尤其需要从打印工艺和技术方面进行更加细致地研究。
5. 3D打印建造技术的应用
1) 应急建筑。3D打印具有降低成本，建造效率高的特点。Sakin等 [25] 通过对BIM技术和3D打印技术进行研究发现BIM可以提高建筑物的设计精度和细节，3D打印建造技术具有。降低施工成本，改善施工流程，减少危险作业等优势。在2020年初，新冠肺炎疫情以迅雷不及掩耳之势袭击了全球，在危急来临时，武汉市仿照北京小汤神医院开工建设，仅仅10天就完成了建筑面积34,000 m2，床位1000多张的任务 [26] 。这其中充分体现了在疫情来临时3D打印技术在建造应急建筑方面的优势，在这次的建造中采用BIM + 3D打印技术的相结合的施工建造方案，不仅提高了施工的效率，而且对于建筑的强度也有一定的保障。
2) 公共建筑。3D打印建筑目前采用的施工方式是装配式建筑 [27] ，可以在工厂预先将构件打印出来，然后进行现场施工组装。所以在公共建筑的建设方面具有特别的优势，对于公交车站台，公园长椅等公共建筑，在满足要求的同时可以随时进行拆卸组装二次利用，有效地减少了资源的浪费。
3) 建筑构件。3D打印在建筑物的构件中也有着广泛的应用，例如在复杂的钢结构的节点处施工，采用3D打印可以很好地解决施工困难的问题。在古建筑的修复方面也有巨大的优势，传统的古建筑修复不仅效率低，且修复的细节也难以把控。Xu等 [28] 通过将3D打印技术与古建筑相结合，利用3D打印和计算机扫描技术对古建筑的损毁部分进行修复，效果良好，证明了采用3D打印的方式可以很好地把控古建筑的修复细节。所以3D打印在古建筑修复中有广阔的前景。
4) 其他方面。在军事方面，美国海军陆战队利用3D打印建造了世界上最大的3D建筑军营 [29] 。未来3D打印也可以运用在边防工程和海岸线工程。科学家还提出在月球进行“轮廓成型工艺” [30] 的3D打印建造技术。在交通方面，荷兰埃因霍芬理工大学于2017年10月完成3D打印桥 [31] ，该桥纵向分成了８个节段，桥梁本身采用3D打印机在工厂打印好，先采用预应力张拉形成一个整体，然后运输到现场进行整体组装。国内河北工业大学的马国伟 [32] 团队按照1:2的比例，使用装配式建筑的方式对赵州桥进行了打印建造，该3D打印赵州桥成为了世界上单跨最长的3D混凝土打印桥梁。
6. 3D打印建造技术的问题与展望
1) 材料方面。目前传统的建筑材料在经济性和多样性等方面有着许多的不足，虽然在改善打印混凝土材料的性能方面有较大的突破，但是还是缺乏系统性，随着3D打印技术的发展，建筑材料的种类也会更加的丰富，例如陶瓷和黏土等。同时3D打印技术的发展对于建筑材料的外加剂和纤维等也会起到推动作用，未来的3D建筑材料不仅种类会越来越多，在力学性能和经济环保方面更能满足建筑的需求。
2) 设备方面。目前对于3D打印建造技术的设备研究不足，距离大规模工业化还有较大差距。同时在我国的一些高校，已经开展基于智能机器人的3D打印混凝土技术的研究。随着3D打印技术的发展，精度和移动性方面的问题会被解决，同时3D 打印设备也会随着计算机技术的发展向智能化和集成化方向发展，最终实现大规模的工业化生产。
3) 规范方面。3D打印建造技术对于材料的配合比和相关的试验方法方面虽然进行了大量的研究，但是还是没有建立同一的衡量规范和设计标准。3D打印建造技术作为新兴技术，未来会对试验和评价标准进行系统的研究，设计出一套完善的衡量标准与规范体系，用以3D打印建造技术的后续发展。
7. 总结
3D打印建造技术的出现对传统的建筑行业带来了前所未有的冲击，但是目前3D打印建造技术还处于起步阶段，3D打印建造技术在实现工业化的过程中，与打印材料，打印设备和技术规范之间息息相关。3D打印建筑的设计验收规范迟迟没有统一标准，从而导致许多的研究成果没有办法大规模应用，与此同时，由于无法市场化，3D打印的各项研究缺少实践过程，反过来又阻碍了相关规范和标准的建立。针对3D打印建造技术所面临的困难，点对点地提出优化解决方案才是正确的方式，未来需要在国家的政策扶持下，提升整个行业的规范建设，同时也需要具有学科优势的高校和经验丰富的企业起带头作用，加大3D打印技术在建筑领域的应用，从实际工程的角度出发解决3D打印生产的技术问题，推动3D打印建造技术的发展。
NOTES
*通讯作者。