3D打印技術在裝配式建筑中的應用與趨勢
時間：2023-07-13 10:09 來源：新材料新裝飾 作者：admin 閱讀：次
3D打印技術是將原材料通過噴嘴，依據三維切片模型進行逐層堆積材料而直接得到實物的技術。該項技術得益于其獨特的制造方法，大大增加了模型的幾何自由度，減少了對于人工的依賴性，節省了原材料與時間，是一種低能耗、低排放的新興技術。易于與新能源、大數據、人工智能等新興技術實現跨界融合和多場景疊合應用，構成第四次產業革命的重要支撐和創新技術。3D打印技術在建筑業的應用最早始于20世紀90年代末，吸引了全球眾多企業和大學的研究和參與，截至目前已經出現了40多種不同的打印技術。對于3D打印技術的研究，其主要集中于材料配比和施工方法，少有針對3D打印技術的詳細討論和分類。
1 3D打印技術分類及其在裝配式建筑中的應用
在美國材料與試驗協會（American Society for Testing and Materials, ASTM）與國際標準化組織（International Organization for Standardization, ISO）在聯合發布的3D打印技術標準中，3D打印分為立體光固化、材料噴射、粘結劑噴射、粉末床熔融、材料擠出、定向能量沉積和薄材疊層七種，目前應用于國內外建筑業的主要有四種，分別為粘結劑噴射、材料擠出、粉末床熔融和定向能量沉積。
材料擠出是通過噴嘴擠壓材料，并將其逐層沉積。該方法由Crump發明，由于其需要將打印材料從高溫噴嘴中擠出沉積，因此該技術也稱為熔融沉積成型技術，并以此商業化，逐漸廣泛應用于建筑業和廉價個人3D打印機。例如，Khoshnevis開發的輪廓工藝技術，Gosselin等開發的名為XtreeE的六軸機械臂打印技術和應用最廣的混凝土打印技術。
粘合劑噴射與材料擠出相反，由粘合劑作為油墨，選擇性地將液體粘合劑噴射到每一層材料上，以將粉末粘合在一起，將粉末材料一層一層地沉積。該技術特點是成型速度較快，可彩色打印且無需支撐，常適用于較小和精度較高的零件打印，于1997年由Pegna首次提出。
粉末床熔融是以激光和電子束為能量源，選擇性地熔融金屬材料粉末床的工藝。此類技術主要應用于建筑中的金屬及玻璃構件的制造，有利于減少材料浪費和提高生產效率。定向能量沉積是利用熱能融化材料，使其逐層沉積，主要用于打印大尺寸金屬構件和修復受損金屬零件。對于薄板層壓工藝，Fabrisonic曾開發出一種超聲波3D打印系統，并可用于建筑業金屬構件制造，但由于其制造成本過高，尚未在建筑業得到成功應用。
經實踐證明，在建筑業能夠成功應用的3D打印技術主要為材料擠出、粘合劑噴射和粉末床熔融。表1按照時間順序梳理了3D打印技術在裝配式建筑中的應用，并分別介紹了不同技術的特點。從3D打印技術的發展路徑可以得出結論：3D打印在建筑業的發展過程從非現場化走向現場化和移動化，從單一材料走向多種材料和復合材料，從打印墻體再到打印與建筑相關的塑料構件、金屬構件和玻璃構件等，既有大型的龍門式打印系統，也有小型機器人和無人飛行打印系統。
2 應用場景
2.1 設計階段
3D打印在非標準化構件上具有明顯優勢，生產成本低且效率高，為裝配式建筑的個性化設計提供了解決方案。在傳統的制造技術下，結構復雜性和其制造成本呈正相關，因此產品設計很大程度受限于制造水平，建筑的設計往往形式比較單一，而3D打印有利于推動“設計為了制造”過渡到“制造為了設計”。3D打印技術有助于建立一個包含3D打印、BIM、客戶、設計師的數據共享云平臺，促進客戶與設計師的交流，推進供應鏈的信息化和數字化。3D打印與BIM結合的打印過程為：BIM—三維模型—切片—切層合并—3D打印—實物。BIM為3D打印提供了數據支持，有助于為裝配式建筑的打印提供精準空間定位信息，完成高精度打印，還可以結合增強現實技術、熱成像技術、激光技術等提高建筑的可視化，發達的信息網絡和完整、全面的建筑工程信息庫可以促進多方協作，保障建筑設計與施工，提高供應鏈運作效率，推動建筑業轉型升級。另外，3D打印有助于實現拓撲優化，通過改變形狀和結構，利用更少的材料實現更多的功能，保障建筑質量、降低建筑重量，同時通過在縫隙中填入其他材料為建筑賦能，如隔熱或隔音等。
2.2 打印階段
建筑3D打印與裝配過程如圖1所示，其主要適用于多層建筑。先在工廠中打印構件，在施工現場完成地基后，將構件運輸到施工現場進行裝配，然后局部澆筑混凝土，最后修飾外立面，這一過程與裝配式建筑的施工方式相似。3D打印不僅可以打印單面墻體，也可以打印建筑外飾面和內部家具構件，最終通過裝配得到成品建筑。在裝配式建筑中，3D打印還可用于構件模板的打印。模板是預制混凝土構件生產的重要裝置和設施，其質量直接影響構件的成型和構件的質量。目前，鋼模板是構件生產企業廣泛使用的一種模板，其剛度大，變形小，使用壽命長，但成本投資較大，回收利用率低。由Laing O'Rourke開發的FreeFAB蠟制模板可以通過較細小的噴嘴打印預制構件模板，這種蠟模板可以以較低的精度快速創建，隨后可以通過銑削技術切割成精確的形狀，在使用完成后可以加熱回收該材料，并重新利用。實證研究表明，FreeFAB將整個模具制造時間縮短了6.5倍。雖然蠟制模板取材容易、成本較低，但是此類技術在工藝和材料上仍需要進一步探索和實證，其是否會像木制模板受熱遇濕后變形，剛度與打印速度是否能支撐大批量混凝土構件生產，仍有待進一步研究探索。
2.3 施工階段
在施工現場經常面臨構件組裝時產生誤差較大的問題，其往往會導致構件需要現場替換甚至返廠再造。3D打印可以現場掃描并打印所需缺損部分或填充物，從而減少在制造、建造和現場修改過程中花費的時間。麻省理工學院開發了一種移動數字化建筑平臺，利用快速擠出的泡沫作為模板用于現場設計，掃描和打印所需構件。3D打印同樣可以現場打印特殊的套管、吊架、零件等，還可以檢測需要維修的區域，并使用3D打印在損壞區域進行維修或直接打印。例如，西門子通過銑削部門表面損壞區域，然后通過3D打印新的材料層維修燃氣輪機燃燒器，以使其繼續運轉或滿足新的設計要求。
2.4 物流階段
裝配式建筑構件的生產速度較慢，往往需要提前生產構件，將生產出的構件在工廠或施工現場進行存放，以備使用，而建筑構件由于體積大，易損壞，在運輸、存放、吊裝的過程中需要嚴格保護，對于物流和存儲具有較高的要求。3D打印可以靈活生產，減輕庫存壓力。制造商利用3D打印按需生產的能力，可以及時生產客戶所需的構件，減少庫存成本，還有助于供應鏈隨時加入新的合作企業，減少備件庫存的準備量和投入，將相關成本投入更新設計以反饋需求。此外，由于3D打印具有拓撲優化的能力，建筑構件重量會較輕，因此運輸和存放的保護難度可能會減小。
3 3D打印技術發展趨勢
3.1 非標準化建筑
混凝土打印和預制生產的成本在實證研究對比下，可以將整體的建筑成本降低25%，節約的成本主要來自于模板和人工。而在打印單面墻體時，則混凝土打印成本較高。由此可見，構件的復雜程度與3D打印的成本效益和生產率呈正比。
Krimi等[6]以法國某建筑公司為例，討論了預制生產和混凝土打印的建造速度和盈虧平衡。實證表明混凝土打印的生產速度高于預制生產，并遠高于現澆生產，這是由于3D打印可以實現高度自動化，24 h連續施工，但是限制于每天8 h施工時間，則預制生產效率高于混凝土打印，且不計算3D打印構件后續需要處理表面紋理的時間。最后結合成本計算出3D打印與傳統建造方式的盈虧平衡點。3D打印的成本是恒定的，而傳統方法的成本與生產數量成反比，前者適合于小批量生產和復雜構件制造，后者適合大批量生產。因此，節省時間和成本未必是應用3D打印于建筑業的優勢，個性化定制、復雜結構制造和靈活生產才是關鍵優勢。
3.2 穩定和多功能的油墨材料
Mohan等總結了目前混凝土打印的主要問題在于材料的穩固性和耐久性，需進一步探索抗拉強度和延展性較好，又同時不損失3D打印固有靈活性的材料。Anton等通過跨學科的合作和實驗開發了一個用于定制柱狀體構件的自動3D混凝土打印預制平臺，用于生產復雜結構的柱狀預制構件，能夠提供穩定的固化環境，實現復雜結構的混凝土打印，目的是推動大規模構件3D打印在裝配式建筑中的應用。結果表明，經混凝土打印的預制柱狀構件的耐用性仍需改善。構件在室外條件下10個月便出現了裂縫，證明其暫不適合直接暴露于戶外條件，耐用性低。而且，3D打印混凝土目前的幾何復雜度仍然有限，需要不斷改良打印系統，尋找穩定高效的油墨材料和打印速率，雖然在打印復雜結構構件上具有明顯優勢，但是當預制柱體較為常規時，則不具備與傳統建造方式競爭的實力。
新型油墨材料可以為建筑賦能。Winsun使用回收垃圾作為油墨材料，如工業固廢、建筑固廢、礦山的尾渣、煤矸石等，并且其目前正在開發在油墨中加入石墨烯。石墨烯由于其在光學、力學、電學具有出色的表現，能夠吸收電磁波和聲波，具有良好的導熱性、導電性和防水性。經過試驗證明，在每升油墨中加入0.35 g石墨烯，可以減少一半對水泥的使用需求，建筑的強度、抗壓、抗彎性大大提高，并且減少了由于混凝土吸熱排放的大量溫室氣體。在每升油墨中加入0.8 g石墨烯，建筑的防水性將提高400%，耐用性也得到提高。
3.3 完善法律法規
目前，3D打印建筑企業及同類公司面臨的主要問題是缺乏3D打印建筑的驗收標準和規范，相關法律法規不明確。3D打印建筑使用的油墨材料和傳統的混凝土相似，但在結構上具有很大區別，因此3D打印建筑的驗收標準不同于傳統建筑，而且需要長時間的探索和研究，使3D打印建造技術達到一個成熟與穩定的狀態，這一過程需要與高校和科研機構合作。就目前情況來看，由于鄉村的建筑不需要復雜的審批和驗收，短期內大多數3D打印建筑應用的場景可能會在鄉村。
4 結語
建筑業的數字化程度和自動化程度是最低的行業之一，雖然BIM和預制生產提高了施工效率和建筑質量，降低了工程成本并提高了施工安全性。但是模板化、批量化的生產方式導致了建筑的單一化和標準化，3D打印雖然能夠實現低成本的復雜結構制造，滿足個性化設計，但是其在裝配式建筑中的規模應用仍在實驗與研究階段，尚未有成熟可靠的技術與工藝，材料的穩固性和耐久性仍待進一步研究和探索。本文總結了3D打印技術在裝配式建筑中的發展現狀和未來的發展方向，其具有可觀的前景和市場，但是仍然需要進行跨學科研究，研究使用多種材料、多種工藝進行打印的方式。
1 3D打印技術分類及其在裝配式建筑中的應用
在美國材料與試驗協會（American Society for Testing and Materials, ASTM）與國際標準化組織（International Organization for Standardization, ISO）在聯合發布的3D打印技術標準中，3D打印分為立體光固化、材料噴射、粘結劑噴射、粉末床熔融、材料擠出、定向能量沉積和薄材疊層七種，目前應用于國內外建筑業的主要有四種，分別為粘結劑噴射、材料擠出、粉末床熔融和定向能量沉積。
材料擠出是通過噴嘴擠壓材料，并將其逐層沉積。該方法由Crump發明，由于其需要將打印材料從高溫噴嘴中擠出沉積，因此該技術也稱為熔融沉積成型技術，并以此商業化，逐漸廣泛應用于建筑業和廉價個人3D打印機。例如，Khoshnevis開發的輪廓工藝技術，Gosselin等開發的名為XtreeE的六軸機械臂打印技術和應用最廣的混凝土打印技術。
粘合劑噴射與材料擠出相反，由粘合劑作為油墨，選擇性地將液體粘合劑噴射到每一層材料上，以將粉末粘合在一起，將粉末材料一層一層地沉積。該技術特點是成型速度較快，可彩色打印且無需支撐，常適用于較小和精度較高的零件打印，于1997年由Pegna首次提出。
粉末床熔融是以激光和電子束為能量源，選擇性地熔融金屬材料粉末床的工藝。此類技術主要應用于建筑中的金屬及玻璃構件的制造，有利于減少材料浪費和提高生產效率。定向能量沉積是利用熱能融化材料，使其逐層沉積，主要用于打印大尺寸金屬構件和修復受損金屬零件。對于薄板層壓工藝，Fabrisonic曾開發出一種超聲波3D打印系統，并可用于建筑業金屬構件制造，但由于其制造成本過高，尚未在建筑業得到成功應用。
經實踐證明，在建筑業能夠成功應用的3D打印技術主要為材料擠出、粘合劑噴射和粉末床熔融。表1按照時間順序梳理了3D打印技術在裝配式建筑中的應用，并分別介紹了不同技術的特點。從3D打印技術的發展路徑可以得出結論：3D打印在建筑業的發展過程從非現場化走向現場化和移動化，從單一材料走向多種材料和復合材料，從打印墻體再到打印與建筑相關的塑料構件、金屬構件和玻璃構件等，既有大型的龍門式打印系統，也有小型機器人和無人飛行打印系統。
2 應用場景
2.1 設計階段
3D打印在非標準化構件上具有明顯優勢，生產成本低且效率高，為裝配式建筑的個性化設計提供了解決方案。在傳統的制造技術下，結構復雜性和其制造成本呈正相關，因此產品設計很大程度受限于制造水平，建筑的設計往往形式比較單一，而3D打印有利于推動“設計為了制造”過渡到“制造為了設計”。3D打印技術有助于建立一個包含3D打印、BIM、客戶、設計師的數據共享云平臺，促進客戶與設計師的交流，推進供應鏈的信息化和數字化。3D打印與BIM結合的打印過程為：BIM—三維模型—切片—切層合并—3D打印—實物。BIM為3D打印提供了數據支持，有助于為裝配式建筑的打印提供精準空間定位信息，完成高精度打印，還可以結合增強現實技術、熱成像技術、激光技術等提高建筑的可視化，發達的信息網絡和完整、全面的建筑工程信息庫可以促進多方協作，保障建筑設計與施工，提高供應鏈運作效率，推動建筑業轉型升級。另外，3D打印有助于實現拓撲優化，通過改變形狀和結構，利用更少的材料實現更多的功能，保障建筑質量、降低建筑重量，同時通過在縫隙中填入其他材料為建筑賦能，如隔熱或隔音等。
2.2 打印階段
建筑3D打印與裝配過程如圖1所示，其主要適用于多層建筑。先在工廠中打印構件，在施工現場完成地基后，將構件運輸到施工現場進行裝配，然后局部澆筑混凝土，最后修飾外立面，這一過程與裝配式建筑的施工方式相似。3D打印不僅可以打印單面墻體，也可以打印建筑外飾面和內部家具構件，最終通過裝配得到成品建筑。在裝配式建筑中，3D打印還可用于構件模板的打印。模板是預制混凝土構件生產的重要裝置和設施，其質量直接影響構件的成型和構件的質量。目前，鋼模板是構件生產企業廣泛使用的一種模板，其剛度大，變形小，使用壽命長，但成本投資較大，回收利用率低。由Laing O'Rourke開發的FreeFAB蠟制模板可以通過較細小的噴嘴打印預制構件模板，這種蠟模板可以以較低的精度快速創建，隨后可以通過銑削技術切割成精確的形狀，在使用完成后可以加熱回收該材料，并重新利用。實證研究表明，FreeFAB將整個模具制造時間縮短了6.5倍。雖然蠟制模板取材容易、成本較低，但是此類技術在工藝和材料上仍需要進一步探索和實證，其是否會像木制模板受熱遇濕后變形，剛度與打印速度是否能支撐大批量混凝土構件生產，仍有待進一步研究探索。
在施工現場經常面臨構件組裝時產生誤差較大的問題，其往往會導致構件需要現場替換甚至返廠再造。3D打印可以現場掃描并打印所需缺損部分或填充物，從而減少在制造、建造和現場修改過程中花費的時間。麻省理工學院開發了一種移動數字化建筑平臺，利用快速擠出的泡沫作為模板用于現場設計，掃描和打印所需構件。3D打印同樣可以現場打印特殊的套管、吊架、零件等，還可以檢測需要維修的區域，并使用3D打印在損壞區域進行維修或直接打印。例如，西門子通過銑削部門表面損壞區域，然后通過3D打印新的材料層維修燃氣輪機燃燒器，以使其繼續運轉或滿足新的設計要求。
2.4 物流階段
裝配式建筑構件的生產速度較慢，往往需要提前生產構件，將生產出的構件在工廠或施工現場進行存放，以備使用，而建筑構件由于體積大，易損壞，在運輸、存放、吊裝的過程中需要嚴格保護，對于物流和存儲具有較高的要求。3D打印可以靈活生產，減輕庫存壓力。制造商利用3D打印按需生產的能力，可以及時生產客戶所需的構件，減少庫存成本，還有助于供應鏈隨時加入新的合作企業，減少備件庫存的準備量和投入，將相關成本投入更新設計以反饋需求。此外，由于3D打印具有拓撲優化的能力，建筑構件重量會較輕，因此運輸和存放的保護難度可能會減小。
3 3D打印技術發展趨勢
3.1 非標準化建筑
混凝土打印和預制生產的成本在實證研究對比下，可以將整體的建筑成本降低25%，節約的成本主要來自于模板和人工。而在打印單面墻體時，則混凝土打印成本較高。由此可見，構件的復雜程度與3D打印的成本效益和生產率呈正比。
Krimi等[6]以法國某建筑公司為例，討論了預制生產和混凝土打印的建造速度和盈虧平衡。實證表明混凝土打印的生產速度高于預制生產，并遠高于現澆生產，這是由于3D打印可以實現高度自動化，24 h連續施工，但是限制于每天8 h施工時間，則預制生產效率高于混凝土打印，且不計算3D打印構件后續需要處理表面紋理的時間。最后結合成本計算出3D打印與傳統建造方式的盈虧平衡點。3D打印的成本是恒定的，而傳統方法的成本與生產數量成反比，前者適合于小批量生產和復雜構件制造，后者適合大批量生產。因此，節省時間和成本未必是應用3D打印于建筑業的優勢，個性化定制、復雜結構制造和靈活生產才是關鍵優勢。
3.2 穩定和多功能的油墨材料
Mohan等總結了目前混凝土打印的主要問題在于材料的穩固性和耐久性，需進一步探索抗拉強度和延展性較好，又同時不損失3D打印固有靈活性的材料。Anton等通過跨學科的合作和實驗開發了一個用于定制柱狀體構件的自動3D混凝土打印預制平臺，用于生產復雜結構的柱狀預制構件，能夠提供穩定的固化環境，實現復雜結構的混凝土打印，目的是推動大規模構件3D打印在裝配式建筑中的應用。結果表明，經混凝土打印的預制柱狀構件的耐用性仍需改善。構件在室外條件下10個月便出現了裂縫，證明其暫不適合直接暴露于戶外條件，耐用性低。而且，3D打印混凝土目前的幾何復雜度仍然有限，需要不斷改良打印系統，尋找穩定高效的油墨材料和打印速率，雖然在打印復雜結構構件上具有明顯優勢，但是當預制柱體較為常規時，則不具備與傳統建造方式競爭的實力。
新型油墨材料可以為建筑賦能。Winsun使用回收垃圾作為油墨材料，如工業固廢、建筑固廢、礦山的尾渣、煤矸石等，并且其目前正在開發在油墨中加入石墨烯。石墨烯由于其在光學、力學、電學具有出色的表現，能夠吸收電磁波和聲波，具有良好的導熱性、導電性和防水性。經過試驗證明，在每升油墨中加入0.35 g石墨烯，可以減少一半對水泥的使用需求，建筑的強度、抗壓、抗彎性大大提高，并且減少了由于混凝土吸熱排放的大量溫室氣體。在每升油墨中加入0.8 g石墨烯，建筑的防水性將提高400%，耐用性也得到提高。
3.3 完善法律法規
目前，3D打印建筑企業及同類公司面臨的主要問題是缺乏3D打印建筑的驗收標準和規范，相關法律法規不明確。3D打印建筑使用的油墨材料和傳統的混凝土相似，但在結構上具有很大區別，因此3D打印建筑的驗收標準不同于傳統建筑，而且需要長時間的探索和研究，使3D打印建造技術達到一個成熟與穩定的狀態，這一過程需要與高校和科研機構合作。就目前情況來看，由于鄉村的建筑不需要復雜的審批和驗收，短期內大多數3D打印建筑應用的場景可能會在鄉村。
4 結語
建筑業的數字化程度和自動化程度是最低的行業之一，雖然BIM和預制生產提高了施工效率和建筑質量，降低了工程成本并提高了施工安全性。但是模板化、批量化的生產方式導致了建筑的單一化和標準化，3D打印雖然能夠實現低成本的復雜結構制造，滿足個性化設計，但是其在裝配式建筑中的規模應用仍在實驗與研究階段，尚未有成熟可靠的技術與工藝，材料的穩固性和耐久性仍待進一步研究和探索。本文總結了3D打印技術在裝配式建筑中的發展現狀和未來的發展方向，其具有可觀的前景和市場，但是仍然需要進行跨學科研究，研究使用多種材料、多種工藝進行打印的方式。
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