建筑业已被公认为消耗大量资源并造成重大环境压力的行业。根据研究，建筑业在美国消耗了36%的总能源、30%的原材料和12%的饮用水。该行业还因生产力表现不佳而受到挑战。

例如，研究人员比较了20个国家的劳动生产率，发现美国表现最差，年复合增长率为‑0.84%。英国、新加坡和香港等37个其他发达国家也发现了低生产率问题。

在过去的几十年里，人们一直研究建筑创新技术以解决生产力、环境和其他问题。然而建筑行业创新战略的主要重点是利用其他地方的技术来加强竞争优势。这是建筑行业被视为低创新技术行业的原因之一。

建筑业的形象可能会改变，因为该行业一直在积极参与3D打印业务。

3D打印采用增材制造工艺，通过一系列横截面切片逐层构建产品。“3D打印”术语也适用于办公室或消费版本的快速成型机，它们成本相对较低且易于使用。2013年全球3D打印材料市场价值为1.65亿美元，预计将以每年20%的速度增长。

从建筑的角度来看，建筑物也是具有承载3D打印潜力的产品。建筑行业已多次尝试使用3D打印来增加定制化、缩短施工时间并提高可负担性。例如，57家主要承包商现在拥有一套建模设备和3‑D打印流程来打印3D建筑模型.

然而，应该指出的是，与建筑行业3D打印应用相关的研究仍处于起步阶段。建筑行业进行了许多新的实验，以探索3D打印可以为建筑行业带来的全部潜力。

3D打印技术分类

根据打印过程中使用的技术，3D打印有五种主要类型。第一种技术称为立体光刻技术，通常包括穿孔平台、液态UV固化聚合物容器和UV激光器。

激光束用于在液体UV固化聚合物的表面上追踪模型的底层，使聚合物硬化。然后降低穿孔平台，并用另一束激光硬化第二层。该过程将重复直到创建3D模型（参见图1）。

实施该技术的主要障碍是开发适合和负担得起的立体光刻树脂材料，因为目前的光固化树脂成本为每升80美元至210美元。

图1

第二种3D打印技术通常称为熔融沉积建模(FDM)。它由三个部分组成：打印头、打印材料（例如聚合物和合成宝石）和支撑材料。

打印材料首先被送入打印头，打印头随后将在X和Y坐标上移动以沉积材料，从而打印从CAD模型中提取的第一层。

与立体光刻类似，底座将向下移动，以便打印机头在第二层和其他层上工作。一旦完成，支撑材料将被移除（参见图2）。

近年来，金属常用作FDM中的打印材料，但它的主要缺点是只能使用低温低强度合金以及由于环境不受控导致的印刷过程种出现的金属氧化问题。

图2

另一种3D打印工艺通常称为喷墨粉末打印工艺，它使用胶水或粘合剂将连续的粉末层粘合在一起。

喷墨粉末打印可以使用金属作为打印材料。粉末形式的金属（例如钢或青铜）沉积在第一层。打印机头将喷洒粘合剂材料，然后用灯将其加热并干燥。

打印完所有层后，产品将在烘箱中固化（见图3）。

实施喷墨方法的主要障碍是对油墨（即印刷材料）的要求较高。油墨必须可安全摄取、无气味、单体和其他成分迁移率低和耐磨性高，同时仍然能够提供超市货架上初级零售包装所需要的饱满色彩和高清晰度。

图3

选择性激光烧结(SLS)是一种分层制造工艺，可以通过将连续的粉末材料层相互叠加来生成复杂的3D部件。

在SLS工艺中，固结过程是使用聚焦激光束进行的。

当SLS用于生产金属产品时，该过程通常称为选择性激光熔化(SLM)或直接金属激光烧结(DMLS)。

例如，在SLM工艺中，金属粉末被激光束完全熔化，因此打印的产品的密度比SLS打印的产品高得多（见图4）。

尽管SKS和SLM能够打印高强度产品，但这些技术面临着挑战包括温度敏感性和打印尺寸的限制。为避免材料在打印过程中氧化，材料熔化温度应保持在其熔点以下。此外，使用SLS时打印尺寸通常较小。

图4

为建筑行业开发的最新3D打印技术是轮廓工艺，这是一种增材制造技术。

它使用计算机程序控制拥有优异表面成型能力的毛巾布，以创建光滑、准确的平面和自由形式表面。一个完整的轮廓加工系统包括一个龙门系统和132个喷嘴。

轮廓制作系统中使用的龙门系统与预制混凝土制造中使用的龙门系统非常相似。

虽然在预制混凝土生产中，员工需要在施工现场确保混凝土排放系统正常工作，并在生产阶段结束时拆除模板。

但在轮廓制作中，员工不需要出现在现场，因为该过程完全由计算机控制。

当印刷材料从喷嘴中挤出时，系统会使用一组计算机控制的镘刀将其抹平。

图5展示了轮廓工艺中使用的喷嘴和镘刀。

轮廓工艺的一个主要挑战是保持均匀的粘度水平，这将有助于打印出表面光洁度更光滑和结构强度更高的材料。

图5

3D打印在建造业的应用

传统上，3D打印的使用仅限于制造业。通常它被用来生产产量低、零件尺寸小和设计复杂的原型零部件。

因此，当时的3D打印技术通常被称为快速原型制作(RP)技术。

1986年，查尔斯·赫尔(CharlesHull)开发了第一台使用立体光固化成型术技术的3D打印机。

在随后的几年中，其他RP技术（例如SLS和FDM）也被引入市场。在这个阶段，RP技术被用于生产主要用于制造业的产品原型。例如，有研究人员成功使用RP技术生产出电火花加工电极。

虽然RP技术的使用主要限于制造业，但有一些使用建筑材料的公司尝试证明该技术在建筑行业的适用性。

例如，有研究团队使用立体光刻法生产出一个复杂的陶瓷部件，尽管该部件的机械性能并未得到优化。

同样，3D轮廓工艺也被证明可制作石膏件。拉夫堡大学的研究团队主动开发了一种可以生产自由形式建筑元素的3D混凝土打印工艺。

这些试点研究表明，只要采用适当的质量控制策略，3D打印技术就可以用于生产建筑组件。

随着技术的进步，近年来3D打印的使用已扩展到陶瓷产品以外的建筑产品。

例如，3D打印机现在可以打印塑料和尼龙物品，这些物品通常在建筑项目中用作插头固定装置、窗框固定装置和管道配件。

更重要的是，混凝土打印技术已被证明可以打印几何形状复杂的混凝土产品。

然后使用3D打印，混凝土产品的尺寸受到限制。一般3D打印机只能处理最大5.4m(L)x4.4m(W)和5.4m(H)的打印尺寸。

然而，这样的尺寸将产生足够的容量来打印基本的预制混凝土组件，例如预制混凝土柱。

因此，在小型建筑项目中使用3D打印机生产建筑部件的核心问题与尺寸无关，而是使用此类技术的市场需求是否足够大，是否能实现规模经济。

自2000年以来，建筑行业已采用3D打印来制作建筑模型。各种3D打印技术已通过打印建筑模型的稳定性测试。

例如，研究团队使用RP技术成功制作了几何简单和复杂的建筑模型。虽然使用FDM打印可能导致建筑模型的崩溃，但SLS已被证明有能力生产强大的模型。

该技术可用于快速生成物理3D模型，打印过程可以在数小时内完成。根据建筑模型所需的精度，可以使用不同的3D打印技术来制作建筑模型。

第一组可用于生成低精度建筑模型的技术被称为概念建模。

概念建模中最受认可的产品之一是由麻省技术学院开发的3D打印机工艺。每层的详细信息首先用计算机生成。

然后在进行最后一步热处理工艺之前，将粉末材料和粘合材料应用到另一层。概念建模可以在短时间内生成所需要的建筑模型。

由于3D打印机的尺寸，有人认为可能无法使用3D打印技术打印中型或大型模型或建筑物。

然而，最近几年，在开发大型3D打印机方面，人们已经取得显著进展。截止目前，使用3D打印机打印整个建筑项目取得了三项重大进展。

2004年，中国建筑设计公司盈创在不到2天的时间内，在上海成功打印了一组200平方米的2套房屋。

使用的3D打印机尺寸为150m（长）x10m（宽）x 6.6m（高），打印材料是高级水泥和玻璃纤维。由于加入了玻璃纤维，打印房屋的强度和使用寿命远优于普通钢筋混凝土。

另一个重要的里程碑是总部位于阿姆斯特丹的DUS Architects开发了6米高3D打印机，该打印机将用于建造运河房屋，并可以使用聚丙烯作为打印材料来生产尺寸高达2.2m x 2.2m x 3.5m的组件。这些部件作为运河房屋的一部分能在现场安装。

整个建筑项目作为设计博物馆向公众开放，其中有2个房间专门用于不同类型的3D打印建筑研究。

3D打印在建筑业的挑战和未来

仅仅使用3D打印并不能解决建筑行业所有问题。一些特定的要求，例如项目的规模和使用的印刷材料，限制了3D打印技术潜力的发挥。

随着技术的改进，这些限制逐渐得到解决，3‑D打印的适用性在相应扩大。

有人推测3‑D打印技术，尤其是RP技术，可能不太适合建造大型景观模型或建筑物。许多其他研究人员也表示，3D打印技术的主要限制是打印项目所需的打印机尺寸。导致这种猜测的原因有两个。

由于打印技术刚流行的阶段，大多数3D打印机都很小，因此尚不清楚该技术是否可以用于打印大型模型或建筑物。

然而，近年来随着3D打印机的新发展，已经出现了大量使用大型3D打印机打印的大型模型或建筑物。

除了打印机的尺寸外，材料在3D打印中也起着非常重要的作用。打印材料要具备快速硬化等基本特性，才能在3D打印中使用。

多项研究发现，使用现有打印材料（如石膏）的打印产品的强度和稳定性可能会阻止技术用于大型模型或建筑物。

虽然石膏经常被用作印刷材料，但该材料表现出低湿强度和大于3%的收缩率。同样，虽然粘土表现出与石膏相比更好的湿强度，但印刷产品的稳定性仅在小尺寸物体上进行了测试。

最近研发人员已经对各种材料进行了改性，并证明混凝土作为高强度打印材料是有效的。

为了用作打印材料，混凝土需要具有可挤出性，以便它可以从打印机的喷嘴中挤出。此外，混凝土应粘合在一起形成每一层，并具有足够的可建造性特性，使其能够正确铺设和保持在原位。此外，混凝土需要足够坚硬以支撑更多层铺设而不会倒塌。

通过改变砂/粘合剂的比例和混合设计中其他外加剂的用量，研究人员改善了各种抗压强度，最高可达107MPa（28天）。

因此，可以合理地假设印刷混凝土的强度足以用于高层住宅或其他大型建筑项目，因为这些项目通常使用60‑100MPa的混凝土。

2014年，有研究团队声称通过使用3D打印技术，打印了一栋两层楼的别墅和一栋五层的公寓，这些项目展示了3D打印在座大型建筑中的适用性。

与预制混凝土项目类似，建筑构件在封闭的工厂内打印，然后运输到施工现场并在现场安装。因此，别墅和公寓并不是直接从电子数据打印出来。

虽然在安装预制混凝土构件时使用接头非常普遍，但打印的别墅和公寓并未采用这种技术。

从图6可以看出，经常使用直接接触脆性。尽管在打印混凝土中添加了玻璃纤维以增加强度，但打印材料太脆，导致打印不出水平跨度的承重构件和建筑构件，如楼板和楼梯。

图6

当用于承重部件时，该材料可以打印成模具。因此，该技术的一大优势是无需脱模（见图7）。在C‑Fab打印过程中也出现了这个问题，人们发现使用碳纤维会导致打印材料变脆。因此，研究人员必须进行额外的研究，以解决对结构完整性造成的破坏。

图7

总而言之，3D打印可用于打印大型建筑物。然而，与其他行业相比，建筑行业对自动化产品的需求较低。此外，材料（即粘土和混凝土）需要在脆性方面进行改进，以便可以打印出合格的组件。

文献来源：

A critical review of the use of 3-D printing in the construction industry Author links open overlay panel

Peng Wu, Jun Wang, Xiangyu Wang

https://doi.org/10.1016/j.autcon.2016.04.005

Automation in Construction Volume 68, August 2016, Pages 21-31