中國3D打印混凝土技術(shù)應(yīng)用歷程與趨勢

肖建莊，柏美巖，唐宇翔，馬義和，陳 寒，劉浩然

(1. 同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 2. 盈創(chuàng)建筑科技(上海)有限公司，上海 201799)

0 引 言

隨著全球城市化進(jìn)程加快和智能化產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，3D打印技術(shù)成為全球研究和應(yīng)用熱點[1-4]。3D打印又稱增材制造，美國材料試驗協(xié)會(ASTM)將增材技術(shù)定義為以逐層堆疊累積的方式將材料連接起來構(gòu)造物體的過程[5]，即將數(shù)字化信息與實體建筑相結(jié)合，所見即所得的過程。3D打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于機械制造、航空航天、工業(yè)設(shè)計、生物醫(yī)學(xué)及建筑等領(lǐng)域[4,6-9]。

3D打印混凝土技術(shù)被認(rèn)為能夠改變傳統(tǒng)建筑施工形式，可以助力建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級[10]。相比于傳統(tǒng)的混凝土施工過程，3D打印混凝土技術(shù)明顯縮短施工周期，降低人工成本，減少建筑廢物及對周邊環(huán)境的影響，還能提升工程安全性[11]。國內(nèi)外針對3D打印混凝土技術(shù)的研究和綜述多集中在配合比設(shè)計[12-20]，對工作性能[21-33]和力學(xué)性能[34-43]的要求以及測試方法[44-47]，而面向3D打印混凝土施工工藝及工程應(yīng)用場景的研究則很少[48-51]。近年來，中國大批科研院所及企業(yè)對3D打印混凝土設(shè)備、材料和工程應(yīng)用進(jìn)行了研究，結(jié)合國際文獻(xiàn)的梳理，3D打印混凝土技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)可見圖1。中國有關(guān)3D打印混凝土技術(shù)的文獻(xiàn)數(shù)量自2016年便居世界領(lǐng)先地位，逐漸成為研究熱點，并成功應(yīng)用于不同建筑形式。

為系統(tǒng)分析中國建筑行業(yè)3D打印混凝土技術(shù)，本文結(jié)合應(yīng)用案例，對3D打印混凝土的油墨材料、施工工藝和應(yīng)用效果等方面進(jìn)行了剖析，以期為未來3D打印混凝土技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 油墨材料

建筑用3D打印“油墨”目前以水泥為主要膠凝材料，纖維為主要增強材料，通過添加粗、細(xì)骨料和外加劑制成，其中水泥除了應(yīng)用最廣的普通硅酸鹽水泥外，還有硫鋁酸鹽水泥等[52-53]?？紤]到3D打印混凝土建筑是以無模板、逐層擠出并堆疊的方式建造的，所以3D打印建筑材料通常要滿足流動性、擠出性、可建造性及開放時間等要求[22,54-58]，以保證在打印過程中不會發(fā)生屈曲和變形，且不應(yīng)對人體、生物及環(huán)境造成有害的影響。

1.1 普通砂漿

用于3D打印的混凝土與傳統(tǒng)混凝土不同，因其特殊的制備工藝，材料性能發(fā)生了顯著變化，不能直接通過改變水灰比或膠砂比來實現(xiàn)，一般需要添加可改變工作性能的化學(xué)外加劑等，通過測定不同外加劑摻量下3D打印混凝土的流變參數(shù)(靜態(tài)屈服應(yīng)力、動態(tài)屈服應(yīng)力等)，分析不同外加劑摻量對3D打印混凝土流變性能的影響，以確定3D打印混凝土的最佳配合比。眾多學(xué)者針對3D打印混凝土的配合比進(jìn)行了研究[12,14,37]，發(fā)現(xiàn)高效減水劑可以降低油墨材料的屈服應(yīng)力和塑性黏度以改善其流動性，而過量的減水劑則會顯著降低可建造性[24,59]。另外，增稠劑的使用對3D打印混凝土材料性能也存在顯著影響，圖2為不同摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))增稠劑對3D打印砂漿相對屈服應(yīng)力和硬化后相對抗壓強度的影響，可以發(fā)現(xiàn)纖維素醚、納米黏土、微晶纖維素及特種膠的摻入均可提升其初始屈服應(yīng)力，但是纖維素醚的摻入會降低其硬化后抗壓強度[60-62]。Weng等[12]對不同砂粒級配3D打印砂漿的流變性進(jìn)行試驗分析，結(jié)果表明Fuller Thompson砂粒級配理論和Marson-Percy模型可以作為3D打印混凝土材料流變學(xué)配合比設(shè)計的指導(dǎo)方法。

關(guān)于3D打印混凝土硬化后力學(xué)性能的各向異性行為，Ma等[63]定義了一個各向異性系數(shù)Ia來評價，見式(1)。澆筑混凝土可近似看為各向同性材料，Ia值為0，3D打印混凝土的Ia在0～1范圍內(nèi)，值越大說明其各向異性指標(biāo)越大，不同加載方向力學(xué)性能的差別越明顯。Zhang等[25,64]制備了一種硅酸鹽水泥的3D打印材料，并對該打印材料的新拌和硬化性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明初始黏度和初始屈服應(yīng)力隨著砂膠比的增大而增加，砂膠比和開放時間對3D打印混凝土的觸變性有顯著影響。此外，在3D打印混凝土配合比設(shè)計時，粉煤灰、硅灰、石灰石粉和高爐礦渣等均可用作輔助膠凝材料部分替代水泥[45]。目前3D打印混凝土技術(shù)仍處于起步階段，配合比設(shè)計方法還不統(tǒng)一，為了獲得更好的打印性能，仍需進(jìn)一步研究3D打印混凝土的配合比設(shè)計方法。

(1)

式中：fx，fy，fz分別為不同加載方向下的力學(xué)強度值；fc為澆筑試樣力學(xué)強度。

1.2 纖維砂漿

為了提高混凝土性能，眾多研究者廣泛采用了纖維增強混凝土的做法，如自密實纖維混凝土、超高性能纖維混凝土等，常采用摻入不同種類的纖維作為提高其韌性和強度的方法，如摻入有機纖維、鋼纖維、玄武巖纖維、碳纖維、玻璃纖維和PE纖維等[42,65-66]。在混凝土3D打印的過程中連續(xù)嵌入鋼筋比較困難，許多學(xué)者通過試驗發(fā)現(xiàn)，在3D打印混凝土中加入纖維可以減少其干燥收縮現(xiàn)象[15,66-67]。Soltan等[68]制備了纖維增強3D打印砂漿，拉伸強度接近6 MPa，6 d抗壓強度可達(dá)30 MPa。Figueiredo等[69]發(fā)現(xiàn)纖維增強材料會顯著增加剪切屈服應(yīng)力，增強打印形狀穩(wěn)定性。Panda等[65]在3D打印砂漿中采用了不同長度(3，6，8 mm)和體積百分比(0.25%～1%)的玻璃纖維，結(jié)果表明不同長度的纖維在體積百分比增加至1%后，打印試件的力學(xué)性能均得到了改善。筆者團隊利用不同摻量的12 mm PE纖維，顯著提高了3D打印砂漿試件在3個方向上的抗彎強度[42]。通過比較不同文獻(xiàn)Z向加載路徑上3D打印纖維砂漿的抗彎強度，可知隨著纖維摻量的增加，其抗彎性能逐漸改善，且均優(yōu)于澆筑試樣，如圖3所示[42,65,70-71]，但是加入大量纖維會導(dǎo)致3D打印擠出時出現(xiàn)噴嘴阻滯現(xiàn)象[63]。

1.3 再生砂漿

中國建筑固廢排放量逐年增長，已占城市垃圾總量的30%～40%[72]，而天然砂石和礦物摻合料等資源日漸匱乏，將建筑固廢進(jìn)行合理的再生利用成為綠色發(fā)展的必要途徑[73-75]。如今3D打印技術(shù)未能全面推廣的原因之一便是建筑打印材料的成本仍然較高，針對結(jié)構(gòu)形式規(guī)整的建筑物，傳統(tǒng)的澆筑方法仍具有更大的成本和質(zhì)量優(yōu)勢，而3D打印混凝土技術(shù)的優(yōu)勢則在面向形狀復(fù)雜的不規(guī)整建筑構(gòu)件時才更容易凸顯。當(dāng)利用建筑垃圾、工業(yè)垃圾和尾礦等作為主要原料來制備3D打印油墨材料時，3D打印建筑的成本可以降低[76]。在3D打印砂漿中用再生骨料取代細(xì)骨料一般會降低其力學(xué)性能，在取代率不超過50%時，隨著取代率的增加強度逐漸降低，見圖4[24,41,77-79]，表1匯總了用作3D打印“油墨”的不同來源固體廢棄物。筆者針對在3D打印混凝土中使用再生砂粉替代天然砂或水泥的可行性進(jìn)行了研究[40-42,80-81]，結(jié)果表明再生砂粉對砂漿早期力學(xué)行為有顯著影響，再生砂粉的高吸水率可提高其可建造性和早期強度，并減少了開放時間，但是會降低其硬化后力學(xué)性能。Ma等[24,82]使用銅尾礦和河底污泥燒制的陶砂替代天然砂制備3D打印砂漿，研究發(fā)現(xiàn)隨著銅尾礦砂取代率的增加，砂漿流動性增加，可建造性降低，抗壓強度先上升后降低，這是因為銅礦尾砂微細(xì)顆粒為水化產(chǎn)物Ca(OH)2晶體生長提供了大量新晶核，抑制其在漿體與集料界面過渡區(qū)的定向生長，改善了界面過渡區(qū)微結(jié)構(gòu)，使抗折強度提高[83]，為保證砂漿的可建造性，建議銅尾礦取代率為40%。

表1 不同來源固體廢棄物的物理性能Table 1 Physical Properties of Solid Wastes from Different Sources

1.4 含粗骨料混凝土

當(dāng)前3D打印混凝土材料研究中使用的骨料大多為粒徑在5 mm以下的細(xì)骨料[84-85]，骨料粒徑過大會造成噴嘴堵塞；粒徑過小會使包裹骨料所需漿體的比表面積增大，單位時間內(nèi)水化熱偏高，導(dǎo)致后期干縮開裂現(xiàn)象明顯[45]。Mechtcherine等[86]針對最大骨料粒徑為8 mm的3D打印混凝土進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明含粗骨料的3D打印混凝土在90 min內(nèi)具有良好的可擠出性和可建造性，在最大荷載方向的力學(xué)性能與澆筑試樣差距不大。圖5為不同骨料粒徑對砂漿相對抗壓強度的影響，可以看出骨料粒徑在0.1～4.75 mm范圍內(nèi)時，隨著骨料粒徑的增大，砂漿的抗壓強度逐漸増大，當(dāng)骨料粒徑大于4.75 mm時，碎石混凝土?xí)A抗壓強度反而降低；陶粒混凝土粒徑越大，會使砂漿和粗骨料的界面黏結(jié)性能降低，形成更薄弱的界面過渡區(qū)[87-89]。

粗骨料的加入可以降低水泥用量，加快3D打印建造速度，生產(chǎn)構(gòu)件體積相同時所用的成本會更低，在3D打印混凝土中加入粗骨料是未來3D打印建筑材料發(fā)展的可見趨勢。

2 混凝土3D打印設(shè)備及施工工藝

隨著智能建造技術(shù)在建筑領(lǐng)域的逐漸發(fā)展，目前3D打印建筑施工方式主要分為現(xiàn)場打印和裝配式打印2種。

2.1 3D打印設(shè)備

目前，3D打印混凝土打印設(shè)備可分為龍門式、機械臂式和可移動式機器人三大類[15]。龍門式打印系統(tǒng)是將打印噴嘴定位在XYZ直角坐標(biāo)中，通過在建筑物所對應(yīng)的不同坐標(biāo)點之間來回移動進(jìn)行打印，具有3或4個自由度，并且打印尺寸受到龍門式框架結(jié)構(gòu)的限制。同樣地，基于機械臂的混凝土打印系統(tǒng)也會受到機械臂長度所作用范圍的限制，但是機械臂打印系統(tǒng)在打印過程中可保持連續(xù)的曲率變化率，在打印層之間可進(jìn)行更平滑的過渡，外觀也更加美觀?？梢苿邮綑C器人系統(tǒng)可分為獨立機器人和多機位組合機器人系統(tǒng)，通過對機器人行走路徑和打印路徑的合理規(guī)劃，以實現(xiàn)更為靈活和高效的打印，可具備6個完整的自由度。

2.2 施工工藝

2.2.1 現(xiàn)場打印

圖6為建筑現(xiàn)場打印施工一般流程圖，采用連續(xù)打印逐層疊加的方式在基礎(chǔ)上直接將建筑主體打印成型，需提前預(yù)留設(shè)備孔洞和構(gòu)造柱的位置，再進(jìn)行節(jié)點連接和二次灌注混凝土，形成一體化的結(jié)構(gòu)形式，未裝飾的3D打印建筑墻體表面有著沿打印路徑方向呈水平或垂直方向的紋路?，F(xiàn)場打印鋼筋配置方法可根據(jù)不同打印需求進(jìn)行選擇，見表2。3D打印混凝土技術(shù)可以根據(jù)建筑信息模型現(xiàn)場打印出方形、圓形以及各種不規(guī)則形狀的建筑構(gòu)件，還有整棟房屋[90]。與傳統(tǒng)施工方法相比，建筑幾何結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，3D打印技術(shù)的優(yōu)勢也越容易凸顯[91-92]。

現(xiàn)場打印工藝缺點是所用的打印設(shè)備尺寸一般較大，如青浦建筑群所用的打印機尺寸為32 m×10 m×6.6 m，現(xiàn)場安裝調(diào)試會占據(jù)較多時間；設(shè)備支撐架體尺寸加大，不僅會提高建筑制造成本，而且很難控制施工精度，影響建筑施工質(zhì)量。

2.2.2 裝配式打印

與傳統(tǒng)的裝配式建筑概念相似，3D打印裝配式建筑也是在工廠打印好構(gòu)件和配件(如樓板、墻板、樓梯、陽臺等)，運輸?shù)浇ㄖ┕がF(xiàn)場，通過綁扎、焊接等連接方式在現(xiàn)場進(jìn)行裝配安裝。打印前需要在計算機信息模型中提前定義好管道和窗戶等開放空間的位置和大小，同時預(yù)留拉結(jié)筋和預(yù)埋件的位置，待構(gòu)件運輸?shù)浆F(xiàn)場后還需二次灌注混凝土以實現(xiàn)墻體連接。圖7為3D打印裝配式建筑施工一般流程圖。為了增強打印構(gòu)件的強度和抗拉性能，常在打印構(gòu)件中加入鋼筋形成鋼混體系，墻柱和梁柱的節(jié)點連接可采用普通裝配式灌漿套筒或螺栓連接等方法，打印裝配式構(gòu)件布置的腹桿鋼筋與頂部、底部鋼筋采用焊接方式進(jìn)行連接，區(qū)域之間的直筋可用鋼筋連接器進(jìn)行連接，區(qū)域之間的彎折鋼筋采用搭接方式。另外，3D打印裝配式墻體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)還可以根據(jù)環(huán)境要求，按聲學(xué)、機械等原理進(jìn)行優(yōu)化。例如，3D打印墻體可以定制為自由形式的空腔結(jié)構(gòu)，不僅可以減輕自身重量，還可以填充不同的保溫或隔音等功能材料。

3 應(yīng)用案例

經(jīng)過多年的探索，中國3D打印混凝土技術(shù)在打印材料、設(shè)備和施工工藝方面已經(jīng)實現(xiàn)了從0到1的突破，本文將具體討論中國3D打印混凝土技術(shù)在不同應(yīng)用場景下的成功案例，從油墨材料和3D打印施工技術(shù)、工程成本等角度的應(yīng)用特點，具體介紹3D打印混凝土建筑的發(fā)展歷程。

表2 現(xiàn)場打印鋼筋配置方法Table 2 Reinforcement Configuration Methods of On-site Printing

3.1 建筑物

3.1.1 居住建筑

2014年，中國上海青浦園內(nèi)外裝一體化3D打印了10棟工程項目部用房，如圖8(a)所示。該3D打印建筑群采用現(xiàn)場打印施工方式，材料來自建筑垃圾、工業(yè)垃圾和礦山尾礦等建筑廢棄物，實測抗壓強度為23.7 MPa，抗折強度為5.3 MPa，與C20混凝土強度相當(dāng)，且彈性模量比普通混凝土低。與傳統(tǒng)施工方式相比，該項目利用3D打印混凝土技術(shù)在24 h內(nèi)便建造了10間房屋，每間平均面積為10 m2，節(jié)約建筑成本約50%。同年在蘇州，一棟建筑面積為1 100 m2的二層建筑在1 d內(nèi)打印完成，如圖8(b)所示，采用裝配式施工工藝，整個過程由3名工人在現(xiàn)場拼裝2 d完成。該建筑墻體保持著原有的3D打印紋理，未做額外裝飾和處理，節(jié)約裝飾成本的同時保證了造型美觀。

2015年，基于配筋砌體標(biāo)準(zhǔn)打印完成六層住宅樓(地上5層，地下1層)，如圖8(c)所示。該樓高15 m，建筑面積約865 m2，利用3D打印混凝土裝配式工藝，發(fā)揮建筑模塊化優(yōu)勢，1 d即可打印1層，所用高性能材料和建筑輕量化構(gòu)件打破了3D打印設(shè)備對建筑打印尺寸的限制，極大提升了打印質(zhì)量和建造速度。缺點是現(xiàn)場的組裝工作需花費較多的人工和時間成本，5 d才可安裝1層。

圖8(d)為利用3D打印混凝土技術(shù)打印的防疫隔離房[93]，房屋尺寸為3.8 m×2.4 m×2.84 m，墻體厚度為310 mm，墻體內(nèi)部空腔填充保溫材料，其密封性和保溫性可滿足單獨隔離的需要。

3D打印技術(shù)是“中國制造2025”的重要推動力量，以上居住建筑案例均進(jìn)一步驗證了3D打印混凝土技術(shù)在建筑領(lǐng)域的商業(yè)價值和應(yīng)用潛力[94]。

3.1.2 公共建筑

2016年，3D打印混凝土辦公樓在迪拜落成，為迪拜未來博物館的辦公指揮總部，如圖9(a)所示。此項目共計17組構(gòu)件，每組分上下2部對稱構(gòu)件，有2種長度，其尺寸分別為8.9 m×2.1 m×1.9 m和7.74 m×2.1 m×1.9 m，經(jīng)過遠(yuǎn)洋運輸，在現(xiàn)場安裝完成。通過3D打印建筑技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計，打破建筑和結(jié)構(gòu)之間的界限。該3D打印辦公樓材料抗壓強度達(dá)38 MPa，主體結(jié)構(gòu)現(xiàn)場加載試驗沒有裂縫出現(xiàn)，并且比傳統(tǒng)建造形式的混凝土用量少三分之一。

2019年，3D打印雙層示范建筑7.2 m高的雙層辦公樓在中建二局廣東建設(shè)基地完成現(xiàn)場打印，如圖9(b)所示。墻體為中空形式，便于進(jìn)一步填充和預(yù)埋以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化。與傳統(tǒng)施工工藝60 d工期相比，該技術(shù)可縮短工期至5 d，節(jié)省約20%的建筑材料費和80%的人工，降低30%～50%建造成本。

3.1.3 工業(yè)建筑

圖10為利用3D打印混凝土工藝現(xiàn)場打印的一座配電站[95]，房屋設(shè)計尺寸為12.1 m×4.6 m×4.6 m，采用龍門式打印系統(tǒng)，該工程骨料最大粒徑為15 mm，控制3D打印混凝土坍落度在110 mm左右，加入早凝劑控制初凝時間為5～10 min，在豎直方向固定間隔處平鋪鋼筋網(wǎng)進(jìn)行層間配筋。表3為實測齡期28 d的含粗骨料3D打印混凝土和澆筑混凝土抗壓強度，可以看出設(shè)計強度為20 MPa和25 MPa時，澆筑試樣強度為23.8 MPa和28.8 MPa，以打印方式制備的混凝土強度比澆筑試件分別低了19.7%和16.3%。

3.2 基礎(chǔ)設(shè)施

3.2.1 擋土墻

圖11(a)為3D打印混凝土工藝制作的多功能擋土墻，經(jīng)檢測預(yù)留試樣28 d抗壓強度可達(dá)40 MPa；抗凍性能經(jīng)凍融循環(huán)50次后，其強度損失小于25%，質(zhì)量損失小于5%。3D打印擋土墻不僅能有效抵擋水體沖刷和土體砂石擠壓，還能在墻體上種植各種綠植或蔬菜，起到美觀裝飾的效果。

表3 含粗骨料3D打印混凝土抗壓強度Table 3 Compressive Strength of 3D Printed Concrete with Coarse Aggregate

3.2.2 檢查井

圖11(b)為3D打印檢查井，可根據(jù)實際埋深需要和井道內(nèi)徑進(jìn)行精準(zhǔn)打印，墻體整體厚度為310 mm，經(jīng)檢測墻體單點吊掛力可達(dá)1 200 N，纖維增強3D打印混凝土材料層間界面結(jié)合強度為0.9 MPa，不同加載方向28 d抗壓強度至少為30 MPa，且整體結(jié)構(gòu)為雙層打印、一次成型，杜絕污水泄漏對土體二次污染。檢查井僅需在工廠打印，運輸?shù)浆F(xiàn)場安裝即可，基于計算機信息模型的打印過程可實現(xiàn)井蓋和檢查井口精準(zhǔn)吻合，排除人工砌筑誤差和人工放坡過程存在的潛在危險。

3.2.3 海、河岸線

2019年，蘇州市完成3D打印河道二級護岸，護岸結(jié)構(gòu)每段長4 m，質(zhì)量約5 t，如圖12所示。該護岸利用裝配式打印工藝完成現(xiàn)場吊裝，既滿足了安全穩(wěn)定要求，又滿足景觀需求，較同等尺寸的混凝土擋墻相比可減少三分之二以上的混凝土用量，節(jié)約原材料的投入，節(jié)省大量人工和材料成本。表4為3D打印河岸線與傳統(tǒng)河岸線對比結(jié)果，可以看出，3D打印河岸線在工期和功能擴展等方面均有較大的優(yōu)勢，可縮短傳統(tǒng)工期的60%左右。

3.2.4 橋 梁

圖13(a)為裝配式混凝土3D打印的趙州橋，整個橋長28.10 m，單拱跨度18.04 m，橋?qū)?.20 m，按照趙州橋原型1∶2縮尺打印后在現(xiàn)場裝配而成，為目前世界規(guī)模最大的混凝土3D打印步行橋。打印材料選用特種水泥基復(fù)合材料，擁有速凝快硬、水化放熱低、早期強度高等特性，保證橋體具有低收縮、微膨脹、高抗裂、自修復(fù)的長期工作性能，橋梁主體打印及施工未用模板和鋼筋，大幅節(jié)省工程成本。

表4 3D打印河岸線與傳統(tǒng)河岸線對比Table 4 Comparison Between 3D Printed Riparian Line and Traditional Riparian Lines

2019年，3D打印步行橋在上海建成，如圖13(b)所示。該步行橋全長26.3 m，寬3.6 m，采用單拱結(jié)構(gòu)承受荷載，拱腳間距14.4 m，耗時450 h完成全部混凝土構(gòu)件的打印，造價僅為普通混凝土橋梁的三分之二。該步行橋橋體由橋拱結(jié)構(gòu)、橋欄板、橋面板三部分組成，橋拱主體結(jié)構(gòu)由44塊0.9 m×0.9 m×1.6 m的混凝土3D打印構(gòu)件組成。通過在打印材料中添加聚乙烯纖維和多種外加劑以調(diào)節(jié)流變性和力學(xué)性能，經(jīng)檢測材料抗壓和抗折強度分別可達(dá)65 MPa和15 MPa。

3.2.5 聲屏障

表5為3D打印聲屏障與傳統(tǒng)聲屏障的對比情況。3D打印聲屏障采用煤化工固廢等可再生資源，降噪和隔音效果出眾，每天可打印40～50 m，大幅縮短了施工周期。圖14為3D打印混凝土技術(shù)在聲屏障中的應(yīng)用案例，分為平面型和曲面型，其尺寸分別為4.5 m×24 cm和4.5 m×18 cm，長度可根據(jù)里程數(shù)自由打印。圖14(b)為蘇州繞城高速公路安裝的3D打印曲面聲屏障，采用波浪形設(shè)計，凹面的波谷會將聲音聚集在一個特定的區(qū)域并產(chǎn)生延時反射，而突起的波峰可將聲波向多個不同方向傳播，波峰與波谷相融合，便可將噪聲沿不同方向消散，隔音效果是傳統(tǒng)降噪結(jié)構(gòu)的2倍～3倍。

表5 3D打印聲屏障與傳統(tǒng)聲屏障對比Table 5 Comparison Between 3D Printed and Traditional Noise Barriers

4 發(fā)展趨勢分析

4.1 生態(tài)材料制備打印油墨

中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會2019年6月發(fā)布的重大科學(xué)問題和工程技術(shù)難題當(dāng)中，第8項為廢棄物資源生態(tài)安全利用技術(shù)集成[96]，通過引導(dǎo)工農(nóng)業(yè)廢棄物資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈提升，以實現(xiàn)生產(chǎn)清潔化、利用安全化等。建筑3D打印技術(shù)具有節(jié)能環(huán)保、節(jié)省材料等優(yōu)勢，是一種理想的綠色施工方法。二者的結(jié)合有利于推進(jìn)傳統(tǒng)建筑行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型，構(gòu)建高效、清潔、低碳、生態(tài)、環(huán)保、循環(huán)的綠色建造體系。

4.2 仿生設(shè)計

在數(shù)字化技術(shù)的支撐下，3D打印混凝土技術(shù)可按需、現(xiàn)場或場外、定制和自動化制造進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式設(shè)計，將其應(yīng)用在建筑領(lǐng)域當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)充分利用其能幫助完成各種復(fù)雜設(shè)計的可能性。仿生學(xué)作為產(chǎn)品尺寸仿生設(shè)計的基礎(chǔ)，以模仿生物系統(tǒng)的功能原理和行為特征來構(gòu)造技術(shù)系統(tǒng)，將自然、社會中優(yōu)越的系統(tǒng)性能應(yīng)用到人造系統(tǒng)中去，提髙產(chǎn)品設(shè)計中的外形、功能、結(jié)構(gòu)等設(shè)計要素[97]。仿生學(xué)和生物靈感的原理可能是這方面的關(guān)鍵所在，因為它們提供了設(shè)計新型結(jié)構(gòu)的背景，包括優(yōu)化的材料、定制的機械和其他性能、實現(xiàn)多功能的可能性和更高的可持續(xù)性[98-99]。

4.3 設(shè)備與工藝

關(guān)于3D打印建筑施工工藝，工廠預(yù)制構(gòu)件打印工藝已相對較為成熟。由于現(xiàn)有打印設(shè)備和打印程序的限制，導(dǎo)致原位打印仍然面臨許多技術(shù)難題，3D打印建筑樓層高度多為1或2層[100]。此外，受3D打印噴嘴直徑影響，目前3D打印材料以砂漿為主，粗骨料混凝土的應(yīng)用則較為有限。因此，大型3D打印設(shè)備和配套輸送裝置仍需進(jìn)一步優(yōu)化以匹配不同的工程特點。

4.4 標(biāo)準(zhǔn)與驗收

因3D打印結(jié)構(gòu)構(gòu)件普遍存在結(jié)構(gòu)強度較低、施工冷縫等問題，其不僅要滿足外觀要求，更需要對材料的選用、構(gòu)件設(shè)計、承載力、防火性、保溫性能、耐久性、工程驗收安全評定方法等進(jìn)行綜合考量。在3D打印建筑技術(shù)方面，中國已有企業(yè)根據(jù)打印性能要求和施工技術(shù)制定了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如《建筑用3D打印油墨》、《建筑用3D打印墻板》和《3D打印檢查井》等上海市企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；也有在編的國家級規(guī)程，如《3D打印混凝土材料性能試驗方法》及《3D打印混凝土基本力學(xué)性能試驗方法》等。驗收規(guī)范仍沿用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)驗收規(guī)范，如3D打印66 m以下建筑驗收采用《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50003—2011)[101]、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[102]和《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB 50204—2015)[103]。以上新編規(guī)程主要針對材料特性及力學(xué)性能試驗方法，而3D打印混凝土技術(shù)的應(yīng)用最終是以可打印不同結(jié)構(gòu)形式的可靠建筑為目的，還需通過大量的應(yīng)用積累和結(jié)構(gòu)性能試驗來制訂相關(guān)的質(zhì)量、技術(shù)、驗收標(biāo)準(zhǔn)體系。

5 結(jié) 語

(1)3D打印材料是影響混凝土性能最根本的因素，從原材料的角度出發(fā)，研究和開發(fā)新的3D打印高性能材料仍是推動其建筑應(yīng)用較為重要的研究課題之一。為滿足3D打印的要求，混凝土須具有更好的流變性能，并能夠在環(huán)境中快速凝固，也需考慮到不同骨料的最大粒徑要求，以保證所有材料有效地黏結(jié)在一起，為此需要研發(fā)不同的化學(xué)外加劑。同時，在3D打印混凝土配合比設(shè)計中建議多利用建筑固廢材料，不僅可以降低3D打印建筑成本，還有巨大的環(huán)境效益，有利于推動建筑領(lǐng)域可持續(xù)綠色發(fā)展。

(2)目前3D打印建筑施工工藝主要有整體現(xiàn)場打印和裝配式施工兩大類，用于建筑的3D打印機必須保證精度和高度集成，現(xiàn)有3D打印混凝土設(shè)備還不能夠完全滿足不同應(yīng)用環(huán)境的特殊性要求。同時，如何解決鋼筋在建造過程中的一體化打印問題，仍然需要在機械設(shè)計和施工流程方面進(jìn)行協(xié)調(diào)開發(fā)，以促進(jìn)面向建筑領(lǐng)域新型3D打印設(shè)備的精細(xì)化與自動化發(fā)展。

(3)3D打印混凝土結(jié)構(gòu)和普通混凝土結(jié)構(gòu)形式不同，現(xiàn)有的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計施工標(biāo)準(zhǔn)和國家規(guī)程并不適合3D打印混凝土技術(shù)，還缺乏面向3D打印建筑的標(biāo)準(zhǔn)和驗收規(guī)范，仍需要學(xué)者和機構(gòu)加快推進(jìn)規(guī)程定制工作，從而加快中國建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展步伐。

(4)中國3D打印混凝土技術(shù)在建筑領(lǐng)域的發(fā)展仍處于前期，部分高新技術(shù)企業(yè)在工程應(yīng)用中走在行業(yè)前列。為進(jìn)一步發(fā)揮3D打印混凝土技術(shù)優(yōu)勢，提升應(yīng)用水平，實現(xiàn)建筑業(yè)高效、綠色、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，企業(yè)、高校和科研機構(gòu)需加強業(yè)內(nèi)合作，以研究成果為基礎(chǔ)共同促進(jìn)3D打印工程應(yīng)用規(guī)?；怨こ虘?yīng)用為導(dǎo)向指引3D打印混凝土研究和發(fā)展。