論 3D 工程打印技術(shù)在建筑工程施工中的應(yīng)用研究

高鵬舉

（中國新興建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司，北京 100039）

0 引言

21 世紀(jì)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，給傳統(tǒng)工業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的變化。人工智能 AI（Artificial Intelligence）制造在不同的領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，加快了傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的改變，提高了生產(chǎn)效率。當(dāng)然，企業(yè)只有不斷地技術(shù)創(chuàng)新，才能夠生存和發(fā)展。在建筑工程領(lǐng)域，工程建設(shè)現(xiàn)場作業(yè)量大，勞動力需求多，近幾年人口老齡化和年輕勞動力的相對短缺，這一現(xiàn)狀已成為目前建筑業(yè)的一個突出的矛盾。與此同時，目前的建筑市場競爭更加激烈，企業(yè)的利潤越來越低，施工現(xiàn)場管理費用的投入在不斷增大，現(xiàn)場的浪費嚴(yán)重，環(huán)保綠色施工的要求，勞動力工資的上漲，所以這一切因素顯示，建筑企業(yè)必須在技術(shù)上創(chuàng)新，生產(chǎn)方式上創(chuàng)新，才能在激勵的競爭環(huán)境下生存和發(fā)展，才能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量、安全、進度和環(huán)保要求。唯一的創(chuàng)新方向是：“減少現(xiàn)場作業(yè)量，管理標(biāo)準(zhǔn)化”，即工程建設(shè)逐漸向工廠化轉(zhuǎn)變，混凝土裝配式建筑就是順應(yīng)這一發(fā)展的需要而誕生。今天 3D 工程打印技術(shù)的誕生，更加促進這一需求的快速發(fā)展，3D 打印技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到一些單體別墅項目的建設(shè)上。比如一幢 2 層 130 多 m2的沙特阿拉伯政府辦公室，只用不到一周的時間就打印完成。所以 3D 工程打印技術(shù)是在裝配式建筑基礎(chǔ)上的更大的創(chuàng)新發(fā)展，它將徹底改變我們傳統(tǒng)的施工生產(chǎn)作業(yè)模式和設(shè)計理念，同時改變?nèi)祟惖木幼∧Ｊ胶托虏牧系膭?chuàng)新應(yīng)用方式。3D 技術(shù)一旦成熟應(yīng)用到打印高層建筑，未來的房屋建設(shè)不但在施工方式上可以變簡單化，建筑的外形會更加美觀，功能上將更加完善，而且在成本上會更加低廉，建筑成品會更加環(huán)保和耐久。3D 工程打印的快速發(fā)展將會給當(dāng)下的房屋建筑工程領(lǐng)域帶來巨大變革，解決勞動力的缺乏、材料的損耗、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)安全管理的要求，減少繁瑣的資料驗收和簽證控制，以及施工污染、垃圾處理的壓力、資源浪費的壓力。所有這一切問題，隨著 3D 工程打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用而變得簡單。建設(shè)一棟房子，就像打印一個咖啡杯一樣簡單。誤差和標(biāo)準(zhǔn)可以隨意設(shè)定和控制。在本文中，重點是分析在高層建筑施工中，如何進一步應(yīng)用 3D 工程打印技術(shù)，存在哪些技術(shù)難題。比如打印機如何在水平和垂直方向定位移動，現(xiàn)場如何同時使用多種打印材料，如何研制強度高的打印材料；混凝土梁，板，柱的如何有效銜接打印，在打印過程中如何配置鋼筋解決抗震和抗剪的受力問題；內(nèi)外墻體如何設(shè)計以滿足打印的要求，如何把打印和澆筑混凝土有效配合（外墻打印空腔的墻體中灌注保溫材料）。本文最終目的是要達(dá)到：“應(yīng)用 3D 打印技術(shù)打印所有土建和裝飾的分部分項工程，能夠節(jié)約勞動力，加快進度，提高經(jīng)濟效益”。為了達(dá)到這一目的，需要建筑工程師和科技工作者考慮和解決三個主要方面的問題，一是可行的高強度打印材料；二是新的設(shè)計理念；三是結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力技術(shù)問題。以上都要以 3D 打印為中心，重新定位，使 3D 工程打印技術(shù)能夠成功應(yīng)用到打印高層建筑。

1 3D 打印建筑的現(xiàn)狀分析

3D 打印技術(shù)已經(jīng)開始被應(yīng)用到打印單體小型住宅、別墅和 6 層的住宅項目。2018 年美國德州的一家建筑公司在奧斯汀應(yīng)用 3D 技術(shù)成功打印了一棟單層 148 m2的普通住宅，只用了一天時間就完成了所有內(nèi)外墻的工作量。該房屋的打印材料，主要是由黏結(jié)性的石膏類礦物質(zhì)混合制成，特點是粘稠性和黏結(jié)性較好，流動性滿足打印的需求，材料的強度和混凝土強度相比較低，其強度相當(dāng)于傳統(tǒng)的砌體結(jié)構(gòu)的強度，如磚混結(jié)構(gòu)，或混凝土空心砌塊等。該工程屋頂采用保溫輕體壓型復(fù)合彩板。梁和柱采用一次性打印的施工形式，柱子先打印外圍混凝土，相當(dāng)于打印了一個方形的混凝土模板，省去了支設(shè)模板的工序，然后澆筑混凝土；梁是采用暗梁形式，在打印墻體時，在梁的部位放入鋼筋一次性打印完成。分析該工程特點，在目前國內(nèi)外打印完成的建筑，建筑外觀基本還是保持傳統(tǒng)的設(shè)計風(fēng)格，盡管個別建筑外觀有一些弧形設(shè)計，墻體可以打印弧形造型，但是從構(gòu)造上沒法打印樓板和屋面，樓板和屋面還需要預(yù)支模板澆筑混凝土。目前的打印機構(gòu)造是由一個水平履帶車拖動一個機械臂來完成的，機械臂的端頭是一個智能化的計算機主板，該主板可以被計算機 3D 運行軟件控制運動軌跡，執(zhí)行打印命令。目前打印機的構(gòu)造是根據(jù)房子的設(shè)計建筑面積來設(shè)計的。該工程面積小，不需要水平進行大范圍的移動，小的機械伸縮臂的半徑就可以滿足連續(xù)打印的范圍。未來打印高層住宅，打印機械臂需要重新設(shè)計構(gòu)造，同時滿足水平移動和垂直移動的需求。同時現(xiàn)在的 3D 打印機還被應(yīng)用到打印一些建筑構(gòu)配件方面，比如化糞池，通風(fēng)道，煙道，花壇，高速公路的隔離墻等。以上是目前 3D 打印技術(shù)在工程領(lǐng)域應(yīng)用的整體簡單概括，打印的墻體如圖 1 所示。

圖1 小型別墅項目 3D 打印墻體

2 3D 工程打印技術(shù)未來應(yīng)用到高層建筑施工中的可行性分析

2.1 打印框架結(jié)構(gòu)的非承重內(nèi)外墻

根據(jù)現(xiàn)有的工程實例，打印的墻體質(zhì)量分析，框架結(jié)構(gòu)的墻體完全可以使用 3D 來打印。在高層框架結(jié)構(gòu)的墻體施工中，如果引用 3D 來直接打印墻體，就會減少墻體的大模板施工，不但節(jié)約了模板的材料、安裝人工費用和吊裝的機械臺班成本，更重要的是減少了施工工序，加快了施工進度，減少了噪音。但是剪力墻是否可以直接打印，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計上創(chuàng)新，尤其是剪力墻的鋼筋綁扎如何配合打印機工作，目前還沒有工程實例。墻體的厚度和中間的空腔可以根據(jù)功能和設(shè)計需要達(dá)到，比如隔音隔熱打印材料可以調(diào)配顏色，外墻的裝飾顏色可以一次性打印完成，不需要涂料施工，如圖 2 所示。

圖2 外墻打印樣式（中間空腔填充保溫材料）

2.2 建筑基礎(chǔ)及護坡施工可以使用 3D 工程打印技術(shù)

目前研發(fā)的 3D 打印機，機械臂同時有 3 個功能，可以挖掘、焊接和打印。如果用在基礎(chǔ)施工的護坡施工，可以打印護坡，也可以挖掘土方，土方通過傳輸帶運輸?shù)降孛娴倪\輸卡車上。打印機也可以自動焊接底板鋼筋，基礎(chǔ)剪力墻及柱子的鋼筋。如果 3D 打印機能夠在基礎(chǔ)施工中創(chuàng)新使用，現(xiàn)場投入的勞動力將大大減少，工程建設(shè)將會變得更加簡單和快捷。近期由美國 Apis Cor 3D 建筑打印公司完成的迪拜政府 2 層辦公樓，建筑高度 9.5 m，面積 640 m2，基礎(chǔ)采用傳統(tǒng)的混凝土基礎(chǔ)，但墻體和柱子是用 3D 打印完成的，用 3D 打印的柱模，用鋼筋和后澆筑混凝土完成。打印機通過起重機定位移動，在移動的狀態(tài)下可以打印更大范圍的建筑面積。本項目的打印材料是結(jié)合當(dāng)?shù)氐馁Y源，用一種石膏加纖維材料混合制成?，F(xiàn)場連續(xù)打印作業(yè)，無施工接縫。3D 打印的墻體，可以滿足弧形造型的需要，由計算機控制，很容易打印有弧度和曲線造型的建筑，墻體的厚度可以根據(jù)設(shè)計要求調(diào)節(jié)，中間的管線可以在打印的過程中添加和預(yù)留。墻體空腹可以加入保溫材料，同時減輕結(jié)構(gòu)的自重，墻體的空腔的形式可以設(shè)計，施工現(xiàn)場如圖 3 所示。

2.3 混凝土柱子施工使用 3D 工程打印技術(shù)

圖3 迪拜辦公樓基礎(chǔ)打印

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)柱施工，先是鋼筋綁扎，然后支設(shè)模板，最后澆灌混凝土。如果引入 3D 工程打印技術(shù)，可以直接打印柱模，如圖 4 所示，不需要支設(shè)模板，省去模板的安裝工序，加快進度。在打印材料中加入纖維，增加強度。如果柱子是設(shè)計為圓形的，3D 打印的優(yōu)勢會更加突出，會更加節(jié)省人工和材料。就目前現(xiàn)有混凝土來考慮，如果能夠直接打印普通混凝土，將是一個很大的突破。要求混凝土的顆粒級配要小，但強度要高，和易性和流動性及稠度要好，這樣特殊柱模打印材料和普通混凝土配合使用，就可以省去傳統(tǒng)的模板的工序，直接打印柱模和梁模，中間用普通混凝土澆筑。

圖4 混凝土柱子打印

3 創(chuàng)新設(shè)計理念 設(shè)計出容易打印的建筑外觀和構(gòu)造

3.1 建筑外觀適合 3D 打印

如果 3D 工程打印技術(shù)能夠大量引用到建筑領(lǐng)域，設(shè)計上必須要突破傳統(tǒng)的建筑設(shè)計理念，傳統(tǒng)的房屋基本上都是火柴盒式的立方體形狀，盡管近幾年設(shè)計風(fēng)格有些變化，但是變化不是太大，而且目前的施工工藝建筑有特殊造型的建筑成本很高。但是 3D 工程打印，必須要求建筑外觀能夠更符合打印需求，更容易一次性完成，比如球形、橢圓、三角形等形狀。而且設(shè)計的圖紙形式也會發(fā)生變化，有些建筑部位只需要一個 3D 的模型就可以，計算機就可以識別和打印。比如在中國江蘇的一個四合院的房子，建筑 130 多 m2，是通過無人機掃描一個同樣的其它已經(jīng)建好的四合院的圖片，輸入電腦建模，先后 3 d 打印完成。迪拜政府的辦公樓，造型基本以弧線為主，層高 9 m，3 D打印顯得非常容易完成這樣類似的造型。和傳統(tǒng)的施工工藝相比，要施工類似的特殊弧形的結(jié)構(gòu)，需要加工特殊的模板，不但費用較高，而且模板材料只能是一次性的使用，造成浪費。新設(shè)計理念和建筑外觀打印完成的建筑如圖 5～6 所示。

圖5 迪拜政府辦公樓

圖6 建筑外觀設(shè)計實例

3.2 內(nèi)部的構(gòu)造設(shè)計適合 3D 打印技術(shù)的需求

建筑的內(nèi)部，多大程度可以應(yīng)用 3D 工程打印，取決于設(shè)計構(gòu)造。圖 7 是 3D 打印的建筑內(nèi)部裝飾構(gòu)造。其結(jié)構(gòu)空間與傳統(tǒng)的辦公室室內(nèi)的布局構(gòu)造完全不一樣，不但要滿足功能空間的需要，同時要考慮如何在結(jié)構(gòu)上被 3D 打印，既要滿足結(jié)構(gòu)上的相互支撐和連續(xù)性，又要滿足美觀和使用空間。

圖7 3D 打印建筑內(nèi)部設(shè)計理念展示

4 對打印材料的要求

4.1 高強度的打印材料

如果要用 3D 打印高層建筑，打印材料的強度是一項核心技術(shù)要求。這就要求對傳統(tǒng)的混凝土性能進行改進。具備高強度的適合打印的混凝土材料是決定 3D 打印技術(shù)是否可以打印高層建筑的關(guān)鍵，混凝土材料既要滿足強度要求，也要滿足和易性稠度的要求。

4.2 裝飾打印材料和輔助功能的打印材料

不但要滿足結(jié)構(gòu)打印需要強度高的混凝土打印材料，同時也要滿足裝飾和構(gòu)造功能需求的打印材料。根據(jù)設(shè)計的建筑功能和部位不同，需要研發(fā)不同的打印材料來滿足設(shè)計的需求，例如保溫隔熱隔聲的打印材料，或構(gòu)造裝飾材料。打印材料的進一步研發(fā)是 3D 工程打印技術(shù)在建筑施工領(lǐng)域的關(guān)鍵。材料要滿足和易性、強度、防火、防水的要求，在設(shè)計構(gòu)造上要滿足隔聲和美觀的要求。同時要滿足環(huán)保節(jié)能的要求，兼顧材料的重復(fù)利用，在廢舊隔墻拆除后，原材料可以回收，二次加工重復(fù)加工成打印材料，如粉煤灰、建筑拆除廢料、電廠和鋼廠的廢料等，達(dá)到經(jīng)濟的效益和節(jié)約能源的目的。

5 打印高層建筑需要解決的技術(shù)難題

3D 打印技術(shù)在高層建筑施工中的應(yīng)用，關(guān)鍵的技術(shù)問題是否從技術(shù)層面上可以得到解決，包括如何打印剪力墻，如何打印頂板（不用支撐模板），塔吊是否可以退出歷史舞臺。

5.1 剪力墻是否可以打印

解決剪力墻的打印能否實現(xiàn)的技術(shù)問題是 3D 打印高層建筑可否實現(xiàn)的關(guān)鍵。在打印材料滿足要求的前提下，需要解決的一個核心技術(shù)是鋼筋的安裝工藝及結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和節(jié)點構(gòu)造技術(shù)要點，以使鋼筋安裝和構(gòu)造形式同時滿足打印機一次性打印成型的需求。這里論述的鋼筋安裝是鋼筋在工廠加工完成，現(xiàn)場要機械化自動就位，混凝土一次性打印完成。打印完成的結(jié)構(gòu)受力要滿足設(shè)計要求，受力年限和安全符合設(shè)計的要求，打印的現(xiàn)場工程實體與在實驗室縮小同比例的受力模型的各項實驗檢測相匹配。所以剪力墻的打印從技術(shù)上突破，需要結(jié)構(gòu)設(shè)計師和工程打印機研發(fā)公司共同來完成。結(jié)構(gòu)工程師解決鋼筋的安裝工藝和結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式以滿足打印，3D 打印公司需要解決的是計算機控制系統(tǒng)和打印機機械臂的構(gòu)造來適合鋼筋同步安裝和混凝土打印。

5.2 模板是否可以退出歷史舞臺

如果 3D 技術(shù)可以打印剪力墻，剪力墻的大模板將會徹底退出歷史舞臺?；炷恋臐补喾绞揭矔l(fā)生變化。打印機有可能同時控制 2 個或 3 個打印頭，一個打印頭打印模具構(gòu)造（柱、梁和墻模具），另一個打印頭打印受力混凝土。但是樓板的施工，是否必須使用模板來施工，還有待技術(shù)研發(fā)。如何在承受混凝土自身重力的情況下，完成打印，除非在結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和造型上有創(chuàng)新設(shè)計，平面結(jié)構(gòu)很難完成 3D 的打印。樓板的打?。o模板支持）是一個巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，需要工程師和設(shè)計師和計算機工程師共同來解決。

5.3 塔吊是否可以退出歷史舞臺

在高層建筑的施工中，塔吊是重要的建筑機械。如果建筑工程徹底用 3D 來打印，打印機的機械臂可以直接打印到作業(yè)層。塔吊是否會退出歷史舞臺，這是一個潛在的技術(shù)問題，也是一個技術(shù)挑戰(zhàn)，需要結(jié)構(gòu)工程師和機械工程師共同來解決。就目前完成的低層單體別墅工程實例分析，完成的項目沒有利用建筑模板和塔吊?；炷林⒘汉蛪w的澆筑模型，全部由 3D 打印完成；垂直運輸是由機械臂來完成。但是高層建筑，鋼筋的垂直運輸是一個潛在的問題。即使鋼筋在工廠加工完成，仍然需要解決垂直運輸?shù)膯栴}。機械臂是否可以運輸鋼筋，將是一個未來解決的技術(shù)問題。

6 結(jié)語

3D 工程打印本身的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是如何大范圍地成功應(yīng)用到建筑領(lǐng)域，特別是打印高層建筑，是建筑領(lǐng)域的一次技術(shù)革命。目前打印完成的小型低層建筑具有局限性，在打印高層建筑方面，還需要解決一些特定的技術(shù)問題，然后才可以實現(xiàn) 3D 工程技術(shù)成功地用在建筑工程領(lǐng)域。比如需要研發(fā)高強度的打印材料和多種功能的裝飾打印材料，打印剪力墻的技術(shù)構(gòu)造問題，打印混凝土頂板的技術(shù)造型問題，塔吊是否會退出歷史舞臺，如何解決打印機機機械臂的垂直運輸問題和鋼筋的垂直運輸問題等。同時設(shè)計理念如何創(chuàng)新，使得設(shè)計的外觀和細(xì)部構(gòu)造適合 3D 工程打印。只有從技術(shù)上和材料上及設(shè)計方案上滿足了 3D 打印的要求，3D 打印技術(shù)才會真正成為工程建設(shè)領(lǐng)域的一次技術(shù)革命和創(chuàng)新應(yīng)用。