3D打印建筑工程结构设计与施工技术

3D打印建筑工程结构设计与施工技术
摘要：3D建筑打印技术是近年来新兴的以轮廓工艺为基础的建筑构筑技术，
相较于传统建筑施工方式，具有环保、节能、高效、低成本、施工安全等优势，
具有广阔的发展前景。

与传统施工方式不同，建筑3D打印实施过程是通过打印
控制系统，按照一定设计路径将油墨材料喷出，以此成型构筑建筑的主体结构。

关键词：3D打印；建筑工程结构设计；施工技术
1建筑3D打印技术的研究进展
建筑3D打印技术起源于1997年美国学者Joseph Pegna提出的一种适用于
水泥材料逐层累积并选择性凝固的自由形态构件的建造方法。

建筑3D打印技术
作为新型数字建造技术，相比于传统的建筑施工工艺，具有以下诸多优点：
1）通过恒定的施工速率来减少现场施工时间，提高施工效率；2）无需模板，可减少模板的浪费从而减少施工成本；3）不使用模板使得建筑的可定制性强，
实现更复杂的设计和审美目的；4）创造基于高端技术的工作岗位；5）根据计算
机设计图，全程由电脑程序操控，节省人力，也使伤亡事故风险大幅减少；6）
可降低建筑粉尘及噪音污染，保护环境，实现绿色环保。

2001年，美国南加州大学（University of Southern California）的Behrokh Khoshnevis提出了一种称为“轮廓工艺”(Contour Crafting,CC)的建
筑3D打印技术，通过混合料分层堆积成型实现建造。

目前，该团队在美国宇航
局的支持下，研究利用月壤材料并采用轮廓工艺在月球上建造太空基地的相关技术。

此后，美国俄亥俄大学（Ohio University）的Paul等改进了轮廓工艺，并
提出了轮廓工艺-带缆索系统（CC-cable-suspended）。

瑞士苏黎世联邦理工学院（Federal Institute of
Technology,Switzerland）的Fabio和Matthias等从2006年开始进行了由大型
机械臂主导的数字建造研究，其中较为独特和典型的建筑3D打印技术即为砖块
堆叠技术，以砖块作为材料单元，环氧树脂作为粘结剂粘结补强。

英国Monolite公司的意大利工程师Enrico Dini在2007年提出了一种通过
喷挤粘结剂来选择性胶凝硬化砂砾粉末实现逐层堆积成型的方法，即D-Shape工艺。

该团队已于2009年成功打印了高1.6m的雕塑，并针对D-Shape技术采用月
壤建造月球基地进行了研究。

2施工阶段方案
2.1 施工总流程
在3D打印建筑过程中，建筑设计的同时进行预准备阶段，包括材料、设备
进场就位、地面硬化等，墙体打印过程包括程序路径设计、墙体打印、洞口预留、预留预埋件等，后期包括墙体的养护等。

具体流程如下：施工准备→水、电、道
路布设→材料进场、场地平整→地面硬化→建筑物放线、定位→打印设备就位→
机械臂定位→打印程序编制→基础钢筋、模板、混凝土→墙体打印、钢筋预埋、
门窗洞口预留→过梁模板安装→打印过梁上部墙体→埋设预埋件→墙体养护→屋
顶安装→装饰、机电安装。

2.2 打印工序
打印前需对基体进行找平处理，基体表面高差≤±10mm，确保打印厚度满足
设计要求。

打印过程中随时观察打印出料端的储料量、打印材料的质量、打印速
度及打印成型的质量情况。

打印时，每打印完一层进行构件宽度和打印层厚度的
检测，验证实际打印的宽度、厚度与设定值之间的误差，当误差大于5mm时进行
相应调整。

经现场实际打印检测，打印气温在10～20°C时，每天打印的层数约
20层，每层厚度控制在20mm。

2.3 总施工过程的注意要点
1）打印材料属于速凝材料，打印层次明显，层次间承载力较低，打印时同
一竖向位置上下打印时间不宜超过材料的初凝时间，不得超过终凝时间，同一水
平位置相邻横向打印时间不得超过材料的初凝时间。

2）对打印时需要配置钢筋处，需要提前加工制作钢筋，非整根钢筋搭接时
需要满足搭接要求，不得后置钢筋。

3）打印材料砂和尾矿的选用需满足规范对级配、颗粒强度及含泥量的要求。

4）墙体打印完成后7天方可施工屋面及相应的屋面支持构件。

5）建筑物和机械臂定位、放线准确，在编制打印程序时，需观测是否存在
影响打印的障碍物、打印完成的墙体与打印设备是否相互影响。

6）建筑物预留吊装孔的位置和孔径需满足吊装要求，孔径易于吊装和操作、利于运输。

7）打印过程中随时观察、检测拌合物的流动度，确保打印流畅，出料均匀
不流淌，不易堵管。

8）打印过程中随时观察、检测打印完成产品的位置、高程、垂直度、截面
尺寸、平整度、观感质量，及时处理问题。

3 3D打印建筑技术的思考与建议
3.1 3D打印设备及软件
目前国内挤出成型式3D打印建筑技术的相关应用研究占主导地位，3D打印
设备主要为框架式或是机械臂式。

框架式结构目前被广泛使用，虽然框架式结构
更加稳定，但在运输、安装、正交沉积方面受到更多限制。

此外，打印尺度受设
备自身尺寸限制较大。

机械臂式打印设备打印自由度更高，在建筑设计方面更具
优势，在移动及打印方面相对框架式更加灵活，但编程控制相对复杂。

3D打印设
备是实现3D打印建筑的基础，随着打印建筑尺寸的增大及高度的增加，如何设
计大型功能集成的建筑3D打印设备及如何解决高层建筑打印过程中打印设备的
爬升问题，抑或是如何设计多设备协同工作的3D打印智能系统，是未来实现大
型高层建筑打印的前提与基础。

此外，如何结合智能化反馈系统，实现3D打印
过程中实时监测——反馈调整，是进一步提升3D打印建筑技术自动化、数字化、智能化的重要研究方向。

3.2 3D打印水泥基材料配合比设计
性能需求(包括但不仅限于工作性能、力学性能及耐久性能)是水泥基材料配
合比设计的目标与内容。

在进行3D打印水泥基材料配合比设计时，材料性能设
计需求应该结合3D打印水泥基材料施工工艺、打印材料特性及应用服役环境综
合决定。

而原材料选用原则及规律则应该基于3D打印水泥基材料的性能需求。

目前关于3D打印水泥基材料的配合比设计方法，大多是基于少量的研究测试结
果总结而出的经验方法，且仅考虑了工作性能及力学性能需求，工作性能主要考
虑可打印性，力学性能则主要考虑材料的抗压强度，充分考虑3D打印水泥基材
料特性及其使用场景的配合比设计方法缺乏。

此外，鉴于3D打印建筑技术研究
应用正快速发展且不断完善，其所用水泥基材料的性能需求也将随之发生变化，
因此相应的配合比设计方法也应该不断完善。

例如，由于无模施工、逐层叠加的
施工工艺，3D打印水泥基材料配合比设计时，是否应该考虑将水泥基材料收缩、
材料各向异性作为设计目标及内容等均是值得讨论的问题。

3.3 3D打印水泥基材料性能及评价
层高较低的3D打印建筑，通过材料与结构的设计，可保证无筋条件下的结
构安全。

但随着层高的增加，结构的配筋是建筑抗震性的必要保证，如何结合打
印设备及施工工艺实现高韧性建筑结构是有待解决的重大难题。

传统的水泥基材
料的性能检测及评价方法显然已不能满足3D打印水泥基材料的评价与检测需求。

虽然众多学者提出了评价指标用于评价3D打印水泥基材料所需要具备的某些性能，但主要是基于现阶段对3D打印建筑技术初步的认识，对于3D打印水泥基材
料的性能评价方法缺乏较为系统、深入的研究。

此外，目前的文献资料，多关注
于材料的工作及力学性能而对于3D打印水泥基材料的耐久性能，尤其是恶劣甚
至极端环境下的性能劣化机制及耐久性能研究少有涉及。

总之，目前，3D打印建筑技术相关的应用研究正高速、健康发展，相关的标
准体系也正逐渐建立，开始有一些标准化的测试和质量控制方法来比较这些最近
的进展。

目前3D打印建筑技术，建造精度尚不能令人满意，工艺、设备及软件
研发尚不充分，暂未进入大规模商业应用。

尽管需要做很多工作才能充分认识到
3D打印建筑技术作为建筑行业具有成本效益和可靠性的选择，但它所能提供的潜在效益值得进一步的研究和开发。

参考文献：
[1]朱彬荣,潘金龙,周震鑫,张洋.3D打印技术应用于大尺度建筑的研究进展[J]. 材料导报. 2018(23)
[2]蔺喜强,张涛,霍亮,张楠,李国友,戢文占,王宝华. 快硬早强混凝土3D 打印施工方法及应用[J]. 混凝土. 2018(07)。