原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41578-023-00626-1

该文提出一种Large-scale 3D Printing技术，通过数字设计和智能建造，最大限度地节约材料，减少资源浪费。该技术在工艺、材料、打印设备和控制方面均取得了创新突破，推动了3D打印技术进步，未来有望用于大型复杂结构建造。

 上海建工对建筑3D打印技术的研究与工程实践

根据上海建工集团工程研究总院数字化建造研究室主任左自波，在第十七届土木、结构和环境工程计算国际会议中的演讲分享。多年来，上海建工集团以及旗下工程研究总院、建材科技集团、机施集团、五建集团、园林集团等依托多项国家级重大科研项目课题，致力于高分子材料及高性能混凝土材料3D打印工艺、装备和材料等方面的深入研究和工程实践。

在科研项目方面，主持完成了国家重点研发计划项目“建筑工程现场工业化建造集成平台与装备关键技术开发（课题6为3D打印）”“面向建筑行业典型应用的机器人关键技术与系统（课题3为3D打印）”“城镇建筑垃圾智能精细分选与升级利用技术（课题3涉及3D打印）”和上海市科研项目“建筑工程现场3D打印建造关键技术研究”等研发，多项成果达到国际先进水平。

在3D打印装备方面，研发出超大型高分子材料3D打印装备（25米×4米×2.5米）和大型混凝土3D打印移动平台（6米×2.4米×2.6米）。

在3D打印工艺方面，创新研发了适合建筑工程现场3D打印建造的工艺；首创研发了框架+砖混+叠合板3D打印建筑结构及工艺，解决自由化设计和交付使用难题；研发了超大尺度3D打印成型成套工艺。

在3D打印材料方面，研发了高分子材料制备及自动化输送技术，研发出高性能混凝土3D打印材料及输送技术。

在3D打印重大工程方面，牵头完成了中国首座高分子3D打印桥普陀桥（15m）、泉州3D打印桥（17.5m）、世界上最长3D打印桥成都桥（3D打印部分长21.58m）、中国首个现场3D打印可交付二层建筑等工程的建造。

中国首个现场3D打印可交付二层建筑

世界上最长的3D打印桥位于成都驿马河公园内

来源 l 上海建工科技创新平台/上海建工

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以下是左自波演讲的主要内容。

© 3D科学谷白皮书

 智能建造探索之路

根据国家工信部定义，3D打印（或增材制造）是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的颠覆性技术，将对传统的工艺流程、生产线、工厂模式和产业链产生重大的影响。3D打印在建筑业的应用将引发行业发展理念和模式发生重大而深刻的变革。

上海建工集团总工程师陈晓明说“在智能建造探索之路上，大尺寸3D打印建造是上海建工优先发展的技术方向”。

1 当前建筑业的形势和发展趋势

建筑业依然是国民经济的支柱产业，在国家建设中发挥了极其重要作用。但是，随着我国人口、经济结构和城镇化的发展，建筑业的发展速度不得不由高速发展回归于理性、趋于平稳良性发展，建筑业发展模式不得不由传统粗放模式转向高质量转型发展。

为加快推动建筑业转型升级、促进建筑业高质量发展，2020年7月，国家住建部等13个部门联合印发了《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，2022年10月，住建部选定24个城市开展智能建造试点，把智能建造的需求推向了新的高度。

2 发展3D打印的战略意义

3D打印作为智能建造的重要方向之一，是促进建筑业转型升级、实现高质量发展的一种重要手段，是追求舒适工作环境的必然选择。3D打印的出现，为建筑业的转型发展提供了新的契机。

发展3D打印是拥抱新一代信息化技术、顺应国际潮流提升我国建筑业国际竞争力的必然之举。近年来国内外发布了《德国工业4.0计划》《中国制造2025》《先进制造业美国领导力战略》等纲领性文件都把3D打印技术作为本国优先发展的国家战略，美国、中国将一些3D打印列为限制性出口技术。

在经济新常态下建筑业亟需快速调整战略规划、寻找新的核心技术作为行业发展的新增长点，3D打印等新兴技术有望引领建筑业全面转型升级的前沿赛道，市场巨大。3D打印还能够改变工程建造的产业链，与其他产业融通发展空间广阔。

3 为什么选择3D打印

建筑3D打印是从1:1模型到装备、可以无人干预的自动加工建筑产品的颠覆性技术。

3D打印原理

当前阶段无论是3D打印还是机器人，建筑行业人力成本远远低于机器的综合成本，当未来人力成本高于机器的综合成本，行业将没有选择、不得不使用这些自动化技术。

人力成本高于机器的综合成本时不得不选择3D打印等

2014年，3D打印一些核心专利到期，自此之后引起各行各业更加广泛关注，得到了快速发展；作为自动化、信息化程度相对不高的建筑行业，更需要拥抱这一类技术。

3D打印受到各行各业高度关注

4 建筑3D打印关键技术

3D打印工艺

目前常用的建筑3D打印工艺包括材料挤出、粘合剂喷射、直接能量沉积和熔融沉积（FDM）。材料挤出是指通过3D打印设备的喷嘴选择性地挤出材料；粘合剂喷射是指通过3D打印设备选择性地喷射液体粘合剂和粘结粉末材料；直接能量沉积是指通过3D打印设备聚集热能熔化材料后逐层沉积；熔融沉积是指通过3D打印设备喷头加热熔化材料后挤压堆积凝固成型。

建筑3D打印常用工艺

材料挤出在建筑3D打印工艺应用中占比最高，其次是熔融沉积，最后是粘合剂喷射和直接能量沉积。

3D打印材料

材料挤出所使用的材料有混凝土、泡沫、复合粘土、轻质石材、玄武岩及生物塑料等；熔融沉积所使用的材料为热塑塑料、树脂和工程塑料等聚合物；粘合剂喷射所使用的材料为砂或石等及胶合剂；直接能量沉积所使用的材料为不锈钢。

建筑3D打印材料主要使用混凝土和聚合物，其次是金属和砂及粘合剂。

建筑3D打印常用材料

3D打印装备

建筑3D打印装备根据结构类型划分，常用的类型包括机械臂、龙门式、桁架式和塔式4类。龙门式更适合室内打印，机械臂和桁架式适用于现场或室内打印，塔式更适合现场打印。

建筑3D打印常用装备

5 建筑3D打印发展的技术路线

建筑3D打印发展的技术路线可概括3个阶段：

第1阶段，将3D打印应用于制造模板及节点和异形非承重结构。例如，通过3D打印复杂钢结构节点模具进行铸造，得到钢结构节点，也可直接3D打印钢结构节点；通过3D打印异形结构模板进行浇筑，实现异形结构建造。也可将3D打印直接应用于装饰结构和景观结构等异形非承重结构的建造。

第2阶段，将3D打印应用于3D打印轻质承重结构。竖向功能构件和水平轻质构件，构件打印完成后进行现场装配，完成建（构）筑物的建造。竖向功能构件包括轻质墙体、保温隔热墙体和异形轻质柱等；水平轻质构件包括轻质拓扑优化梁、轻质板等，水平结构打印通常采用打印构件加组装或预应力张拉的方式，金属打印采用一次打印的方式。

第3阶段，将3D打印直接用于异形房屋、异形建（构）筑物的现场或整体打印。依次用于低层、多层、高层和超高层3D打印的建（构）筑物，随着3D打印技术的发展，3D打印将从异形个性化建（构）筑物的建造向通用建（构）筑物的建造发展。

建筑3D打印发展技术路线

6 上海建工对建筑3D打印技术的研究与工程实践

多年来，上海建工集团以及旗下工程研究总院、建材科技集团、机施集团、五建集团、园林集团等依托多项国家级重大科研项目课题，致力于高分子材料及高性能混凝土材料3D打印工艺、装备和材料等方面的深入研究和工程实践。

在科研项目方面，主持完成了国家重点研发计划项目“建筑工程现场工业化建造集成平台与装备关键技术开发（课题6为3D打印）”“面向建筑行业典型应用的机器人关键技术与系统（课题3为3D打印）”“城镇建筑垃圾智能精细分选与升级利用技术（课题3涉及3D打印）”和上海市科研项目“建筑工程现场3D打印建造关键技术研究”等研发，多项成果达到国际先进水平。

在3D打印装备方面，研发出超大型高分子材料3D打印装备（25米×4米×2.5米）和大型混凝土3D打印移动平台（6米×2.4米×2.6米）。

在3D打印工艺方面，创新研发了适合建筑工程现场3D打印建造的工艺；首创研发了框架+砖混+叠合板3D打印建筑结构及工艺，解决自由化设计和交付使用难题；研发了超大尺度3D打印成型成套工艺。

在3D打印材料方面，研发了高分子材料制备及自动化输送技术，研发出高性能混凝土3D打印材料及输送技术。

在3D打印重大工程方面，牵头完成了中国首座高分子3D打印桥普陀桥（15m）、泉州3D打印桥（17.5m）、世界上最长3D打印桥成都桥（3D打印部分长21.58m）、中国首个现场3D打印可交付二层建筑等工程的建造。

中国首个现场3D打印可交付二层建筑

世界上最长的3D打印桥位于成都驿马河公园内

7  3D打印在建筑工程的应用效果和优势

设计灵活创意增加：几何自由，复杂结构的3D可视化、个性按需定制；

机械化自动化程度高、安全高效：最大限度地改善作业环境，大幅度降低劳动强度，减少高风险、高强度现场作业人员50%以上；

材料效率高：无模板（节约材料30%），实体可优化为空心结构（节约材料50%）；

智能化运维：3D设计模型可直接用于运维，打印嵌入传感，可实现智能化运营维护；

绿色环保：无污染，减少碳排放。

上海建工将继续积极探索新型设计和施工方式，为智能建造和精益建造提供新的范式，促进建筑业转型发展。

来源 l 微信公众号“上海建工”

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日本清水建设株式会社于2023年6月7日宣布，首次将自主研发的“结构用LACTM”作为混凝土材料，应用于建筑结构的3D打印施工。该材料被应用于该公司在东京都江东区正在建设的“潮见创新中心（暂定名称）”停车场的屋顶结构中。

结构用LACTM是一种在纤维增强水泥复合材料“LACTM”中混入粗骨料而成的混凝土材料，清水建设自主研发用于3D打印。作为可用于建筑主体结构强度的指定建材，其获得了日本国土交通大臣的认证，是日本唯一获得部长级认证指定建材的3D打印材料。

由此，在建筑中，以往仅限于非结构件和精装修构件的3D打印施工的应用范围得到了极大的拓展。此外，通过将打印材料用于结构件，可以最大限度地减少结构件的横截面，同时避免了以往将打印材料应用于结构件时需要单独获得部长级认证的问题。

此次，将层压结构用LACTM构建的“打印结构”应用于围绕膜屋顶周边的拱形结构的一部分。同时，将可作为结构的一部分包含在结构计算中的“打印结构模板”用作支撑屋顶斜柱的混凝土模板。使用打印结构的建筑只需通过正常的确认申请程序即可完成，无需单独获得部长级认证。

打印结构和打印结构模板的适用范围

应用于屋顶的打印结构，通过机械臂式3D打印机进行结构用LACTM的层叠、以及在预定打印层之间铺设钢筋而形成。由于结构用LACTM具有与高强混凝土相同的性能和高抗剪强度，因此仅通过在层间轴向铺设的主筋来确保结构件所需的结构性能。

该打印结构件具有构件横截面逐渐变化的拱形形状，以实现结构上的最佳形状。打印时精细控制喷嘴的移动速度，可以直接形成复杂的形状。

拱形结构的打印状态

此外，用于斜柱施工的打印结构模板也可用作RC柱的结构。据此，与使用非结构打印模板的情况相比，可以减少浇注到模板中的混凝土用量，并可以最大限度地减少整个构件的横截面积。

未来，该公司将继续致力于技术开发，以扩大应用范围并进一步提高打印施工的效率。

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位于韩国光州北区的JKWind是一家建筑工程环境检测公司，主要负责评估与分析建筑施工过程中的周边环境。工作内容包括对建筑规划的周边环境进行气流测试，以评估建筑的稳定性和耐腐蚀性，并向建筑工程项目方提交详细的检测报告。JKWind需要按照建筑的实际情况，对建筑的复杂结构和建筑外观进行严格的测试。因此，他们需要制作大量等比的建筑模型，模拟建筑以及周边环境。

 挑战：
传统方式效率低，拖延项目进度

为了获得更准确的检测数据，JKWind在制作测试模型时，必须精准地还原建筑的结构以及外形设计，这无疑是一项大挑战。以前的模型制作，JKWind使用的是激光切割技术，主要通过切割木头、纸板、丙烯酸树脂或钢铁制成模型部件，然后再进行组装。

但在使用此技术时，有一个很大的痛点，就是：低效率的模型制造流程将拖延整个项目进度。

首先，他们会收到一些复杂设计的建筑工程项目，如一些带有弧形角的设计，这对JKWind自主制作模型是一大挑战，因此，他们只能把项目外包给第三方公司。

其次，虽然第三方公司能完成复杂设计的模型制作，但却在反复的沟通和修改中拉长了整个模型制作的时长，拖延了项目进度。

在经历过这些问题后，JKWind决定自主引进3D打印技术制作模型。在咨询了代理商的意见后，他们最终选择采购了多台高精度大尺寸3D打印机Raise3D 复志科技的Pro2 Plus 3D打印机。

 高精度3D打印机
灵活准确制作复杂模型

JKWind的项目大多为现代建筑，具有较为复杂的设计，如：内部结构中使用了大量的柱体、钢桁拱、横梁等建筑结构，以及一些具有艺术感的曲形外部结构。Pro2 Plus的打印层厚可小至0.01mm能精确地还原大部分的建筑设计细节，满足JKWind对模型制作的需求。在经过简单的后期处理（如打磨、抛光等）后，模型表面将变得更加光滑精致。

JKWind的负责人Hayoun对Pro2 Plus打印机的精确度赞不绝口：“当代建筑师的设计方案都相当复杂，旧模型的制造工艺已达不到我们的要求了。3D打印技术可以让制作流程更灵活，更能帮助我们发挥奇思妙想。”

 数字化生产
降低生产成本，缩短交付时长

“在使用Pro2 Plus后，我们制作模型的速度提高了一倍，所需的劳动力减少了一半，总的制作成本只有之前的20%。”Hayoun说道。

从材料方面来讲，使用Pro2 Plus后，JKWind主要使用PLA以及PVA制作模型，相比以前使用的金属薄板、木材等材料，价格更低，除此之外，由于增材制造的优势，材料浪费率也大力的降低，大大的降低了模型材料的成本。

从劳动力方面来讲，Pro2 Plus在打印时无需人工在旁监督，从而大力减少了人工成本。

除此之外，JKWind工作室内的多台Pro2 Plus可7*24全天候运行，在非工作时间，打印机也无需停工，工程师只需通过Raise3D生态系统中的云管理系统RaiseCloud对3D打印进程进行远程监控与管理，与传统生产方式相比，单个模型打印时间缩短了一半，从而缩短了项目的交付周期。

 大尺寸打印空间
轻松实现一体成型及小批量生产

Pro2 Plus打印尺寸可达到305 x 305 x 605 mm，在打印大尺寸模型时，可以实现一体成型，省略组装步骤；打印小件模型时，可以进行小批量生产，同时打印多件模型；打印超大尺寸模型时，可以减少模型的切割块数，减少组装时间。

Hayoun说：“Pro2 Plus打印机的打印尺寸非常适合我们的制作需求，无论是大型还是小型部件，都能快速制作完成。”

 简单易用
Raise3D生态系统让生产更便捷

在制作模型时，JKWind灵活地使用Raise3D生态系统，将设计-切片-打印-管理流程形成一个流畅的闭环。

Raise3D生态系统中的ideaMaker切片软件内置了多类耗材的打印模版，JKWind工程师可以根据打印需求直接使用预设好的打印模板进行打印。当设计师修改打印模型的机械性能设定时，也可以直接在ideaMaker中完成设置，无需重新绘制模型。在连网后，工程师还可以通过ideaMaker直接将切片文件上传到打印机上开启打印。

RaiseCloud也是JKWind制作模型时必不可少的管理工具，通过使用RaiseCloud，工程师可以同时对多台Pro2 Plus进行远程管理，包括分配打印任务、观察打印过程、启动/结束打印任务等。在灵活使用RaiseCloud后，JKWind工作室里多台Pro2 Plus组成的“打印农场”更像是一个无人化的生产车间，助力工程师轻松快捷地完成模型制作。

 高成本效益
3D打印为气流测试提供新思路

在引进Pro2 Plus后，JKWind不仅保障了模型的细节还原度，确保测试的准确性，还降低了生产、管理等方面的成本，让公司能将更多精力投入到业务开发与客户服务上。

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3D打印月球建筑
©NASA

 两到三个数量级的成本节约

这份价值 5720 万美元的合同旨在帮助 ICON 开发在月球上建造基础设施的技术，如着陆垫、房屋和道路。ICON 的目标是使用月球上的当地材料建造这些结构，即用月球尘埃和月球岩石建造的月球房屋。

在太空中做任何事情都非常昂贵，因为必须从地球上携带所需的材料和工具。想象一下，将可建造 100 间房屋的砖块或水泥装载到火箭上，然后将它们送上月球。这不仅成本高昂，而且很可能会浪费时间和资源，因为这些建筑材料不会像在地球上那样在月球表面仍保持稳定。

但是，一旦拥有了一个几乎可以建造任何东西的系统，并且使用当地材料，那么建造永久性月球存在的成本可能比在任何地方都要低两到三个数量级。

3D科学谷了解到ICON 工程师计划研究月球风化层，以确定在用作建筑材料时的表现。ICON 基于风化层的3D打印建造过程是这样的：先通过3D打印机放置一层初始的月球尘埃和岩石，形成他们想要建造的任何形状——比如，月球栖息地的墙壁——然后使用专用激光熔化风化层，使其永久粘在一起。一旦第一层凝固，就会添加另一层；这与ICON的 3D 打印机在地球上的工作方式并无太大不同。

为在月球上使用而开发的3D打印机被称为奥林巴斯，它看起来像一个巨大的机械蜘蛛，上面装有起重机。3D打印机将通过商业着陆器降落在月球上，然后自行驾驶到建筑工地，开始处理风化层以进行施工。

类似于地球不同地区的土壤成分差异很大：有些地方是岩石，有些地方是沙质，还有一些地方含有粘土（更不用说其化学成分的差异）。月球的风化层完全不一样。ICON 将需要测试3D打印如何使用不同的材料，以确保该系统可用于月球的各个部分。

新的NASA合同实际上是现有美国空军合同的延续，该合同部分由 NASA 资助，根据该合同，ICON 的任务是探索 3D 打印建筑在地球和地球外应用之间的共性，该合同将持续到 2028 年，其中包括 2026 年在月球表面的演示。

 月球栖息地：不久的将来

这一切听起来都非常雄心勃勃，就像科幻电影中的情节一样。业界将看到 ICON 的计划在未来四年内如何发挥作用。根据3D科学谷，3D打印技术可以让建筑结构颠覆传统建筑的理念。不同于传统直线形的建筑，3D打印能够创建曲线形的建筑物。通过3D打印技术打造建筑结构的方式被称为“轮廓工艺”，原理其他3D打印机类似，通过挤出机将材料一层层打印出来，但是拥有更庞大的体积。轮廓工艺可以3D打印出房子的外墙，并且可以铺设混凝土层，流出水、电、气管道所需的空间。通过3D打印的轮廓工艺可以实现建筑中的空心结构，该方法比传统方法需要消耗的建筑材料更少。

虽然3D打印房子的安全性以及保暖、防潮等性能还需要接受时间的检验，但是3D打印可以加快工期，通过读取建筑物的数字化模型来实现自动化房屋建造的方式，无疑将为建筑业实现降本、环保和实现颠覆性的建筑结构开辟了一条全新的道路。

© 3D科学谷白皮书

此前，ICON曾3D打印了位于德克萨斯州奥斯汀市的一批房屋，该项目房屋由美国堪萨斯城开发商3Strands公司开发，由 Logan Architecture 设计。

ICON的3D打印房屋
© ICON

首批房屋共有四种不同类型的住宅，房屋设计要包括大型有顶前廊、宽敞的前院、停车场和量身定制的室内设计，极具建筑美感。在房屋第一层，墙体采用一种名为 Lavacrete 的水泥状材料3D打印而成，打印大约需要一周时间，后填充入绝缘材料和钢材，能够使房屋更加节能，同时又比常规建造的建筑物更加防火、防洪和防大风。在第二层，一个有着传统结构，被金属和木材包裹的体量位于3D打印的结构上。

基于ICON在地球上3D打印房屋的现有经验，NASA将缩短在月球上利用月壤3D打印建筑的探索过程。

根据3D科学谷的市场观察，不仅仅是NASA，早在2016年，欧洲航天局材料技术部门的科研小组已经在仿真测试、利用月壤打印整个基地结构的技术。通过发送一个可以利用月壤建造基本结构的机器人前往月球，它或可能在载人项目到达月球之前完成打印这些结构。欧洲航天局的工业小组已经在调查它是否同样适用于建立一个月球栖息地。科学家们还讨论了基地的潜在位置，天文学家偏向于在月球更远一端，因为这使得无线电望远镜可以不受到地球传输的影响对太空进行观测。

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当日上午，在三峡大学水利与环境学院3D打印试验基地，随着宜昌市住建局、三峡大学相关领导共同为大型混凝土3D打印机开机，标志着15米级大型混凝土3D打印机正式宣告研发成功。

混凝土3D打印技术是一种创新型房屋智能建造技术，集成计算机图形学、机械零件设计制作、装配工艺、自动化控制、精密数控、混凝土材料、流体力学等多学科交叉的技术。这一技术优势在于具有高效率、免模板、省人力、节省材料、低碳环保等优点，不仅适合传统房屋造型设计建造，还能实现各种优美不规则曲面形体的建造。

据了解，由李洋波博士牵头的三峡大学水利与环境学院3D打印研究团队研发出的这套“大型混凝土建筑3D打印机”，打印幅度达到15m×15m×10m，打印尺寸及跨度等技术参数目前属国内领先水平。

在3D打印机作业现场可以看到，这台“打印机”长17米，宽17米，高12米，架子上的可移动大型喷头，开机后就像奶油裱花一样层层叠加，按墙体的走向喷射“打印”，精准快速平整。据李洋波介绍，一栋200平方米的3层以下小洋房或别墅传统建造期在一个月左右，通过混凝土3D打印机只需半个月时间即可完成建造。

“目前现阶段可服务于乡村振兴和新农村建设，未来有望将技术运用在楼房、大坝等基础设施建设领域，并推广水电智能建造领域。” 三峡大学水利与环境学院副院长李卫明表示，此次科研是响应国家“双碳”战略和乡村振兴的积极实践，也是把论文写在大地上的一次生动实践。下一步，学院将继续充分利用学科优势加大相关技术研发，提升三峡大学在该领域的研究水平，推进3D打印技术在水利行业的应用推广。

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近年来，我国建筑企业与科研机构对3D打印建筑进行了探索与实践，并在建筑结构打印装备、材料以及设计方面获得了进展。最近，由上海建工、南京嘉翼精密机器制造公司、东南大学联合打造的国家重点研发计划示范工程——上海建工3D打印科技试验楼项目已完成第一层建筑3D打印施工，目前正在开展第二层建筑的3D打印施工。

© 3D科学谷白皮书

 满足现行标准的3D打印建筑

该项目建筑使用面积52.8平方米，高度6米，上下两层，打印整体用时约50小时。项目建成后将作为南京市六合区雄州街道灵岩社区卫生服务中心的院史展览馆投入使用，成为我国首个真正意义上可居住、可交付使用的现场3D打印二层建筑。

项目采用了团队自主研发制造的3D打印装备，该装备为国内首创实现粗骨料混凝土材料泵送的现场原位3D打印装备，可实现超大型建构筑物的智能化现场原位3D打印建造。

项目采用了团队自行研发的3D打印混凝土材料产品，并在现场原位3D打印中首创局部使用了含粗骨料的3D打印混凝土材料。项目同时研发了固体废弃物材料用于3D打印，固废的循环利用，可以减少碳排放、减少污染，绿色环保。

目前3D打印建筑推广应用中面临最大的挑战，是缺乏相应的完善标准，为此项目团队首创设计出满足现行标准的框架+砌体+叠合板结构3D打印建筑。自承重墙体和局部柱及梁模板通过3D打印技术完成，框架结构作为承重结构，该种3D打印建筑结构的成功设计为项目交付使用创造条件。

在近期极端高温的天气中，3D打印建筑改善施工环境的有效性得到了充分验证，该技术可以将人们从恶劣的施工环境中解放出来，降低劳动强度，在复杂、个性化、按需定制的建筑物、构筑物建造中具有广泛的应用空间，在极端施工环境如灾区重建、核电站、月球基地等也有广阔的应用前景。

智能建造是“十四五”时期我国建筑业发展的重要方向之一。集团总工程师陈晓明说：“在智能建造探索之路上，大尺寸3D打印建造是上海建工优先发展的技术方向。”

多年来，上海建工依托多项国家级重大科研项目课题，在高分子材料及高性能混凝土材料3D打印工艺、装备、材料等方面，进行了深入研究和工程实践。此次示范工程的建设探索了现代房屋新型建造方式，可实现大规模建筑工业化生产，提升了智能建造和精益建造水平，为我国建筑行业数字化转型发展贡献力量。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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尽管建筑行业正不断引入数字化技术来提升建筑项目的质量与效率，但迄今为止，数字化技术更多被应用在建筑规划与管理任务当中，而在建筑结构的制造层面上却很少应用数字化技术及端到端的数据流程。

3D打印作为一种典型的数字化技术与数字化设计相结合，为建筑设计师实现复杂而坚固的建筑结构带来了全新范式。除了混凝土3D打印直接建造建筑墙体、房屋之外，粘结剂喷射3D打印技术在复杂建筑结构的数字化制造领域也开始崭露头角。

本期，3D科学谷将分享新加坡科技大学建筑智能研究实验室 (AIRLAB)，通过voxeljet-维捷粘结剂喷射3D打印技术开展的AI-Table 数字化设计与制造应用案例，并揭示该项目中应用的数字化设计与制造流程，为复杂建筑结构与室内装饰带来的应用启示。

AI-Table 项目作品

© voxeljet-维捷

 用料少但坚固

上图中的桌腿是AI-Table项目开发的3D打印作品，其花丝交织的结构灵感来自于设计师在森林中散步时的观察。虽然看上去只是几条桌子腿，但是为了确保这种看似脆弱的结构不会被沉重的桌面压垮，设计师除了艺术美感之外，还需要对静载荷计算有深刻的了解。

实现这些桌腿的设计，不仅仅是基于人类的创造性思维，还包括 Autodesk Fusion 360 软件人工智能辅助设计，以及voxeljet-维捷3D打印技术与传统金属铸造相结合的技术。这一设计及制造思路诞生于新加坡科技大学的建筑智能研究实验室 (AIRLAB)。

为了实现在使用最少材料的同时可靠地吸收桌面结构力的想法，项目最终使用青铜作为桌腿铸造材料。青铜铸造用的3D打印铸型由voxeljet-维捷粘结剂喷射3D打印设备和PMMA材料制造，铸造厂将3D打印铸型制成符合高精度规格的陶瓷外壳，然后进行熔模铸造。

得益于人工智能辅助的数字化设计与3D打印技术，设计师得以实现桌腿的结构优化。最终铸造而成的桌腿，精致但是坚固而稳定，并且去除了冗余的材料。

 新范式助力建筑的可持续发展

AI-Table 数字化设计与制造项目为最大限度地减少原材料，并实现高性能建筑带来了启示。将软件算法整合到设计阶段，并将3D打印整合到制造中的工作流程，将为建筑领域开辟完全不同的创意维度，带来新的形式和材料自由度。

此外，项目中应用的数字化设计及3D打印技术，为建筑界牢固树立可持续性理念“绘制”了一个蓝图。AIRLAB 实验室的研究人员将3D打印+熔模铸造作为传统制造工艺的替代技术，将与生产相关的能源消耗降低 4% 到 21% 之间，最大的影响来自于原材料运输需求的显著减少。在AIRLAB实验室还通过数字化设计与3D打印技术相结合，通过实施结构优化，去除不必要的材料，从而减少材料浪费。这一全新的方式，为改变当前建筑范式带来可能。

 voxeljet-维捷粘结剂喷射技术与建筑3D打印

为AI-Table 数字化项目提供3D打印技术支持的voxeljet-维捷，基于其粘结剂喷射3D打印技术，为室内外建筑模型、建筑结构数字化制造注入了新力量。

l PMMA 3D打印+熔模铸造

voxeljet-维捷与从事艺术品铸造的德国企业Strassacker 基于PMMA 铸造模型3D打印开展了多项合作。在合作中，Strassacker使用voxeljet-维捷的3D打印服务来制造青铜铸造模型。铸造模打印完成后，voxeljet-维捷用蜡渗透模型，使表面更加平滑，然后将它们交付给Strassacker，通常交期在3-5天。

© voxeljet-维捷

这一工艺的特点是，不需要创建硅树脂阴模，3D打印的PMMA 模型被直接浸入陶瓷中从而创建壳体，模型在700°C的炉中被烧尽，留下铸造用的陶瓷模具。

3D打印PMMA 模型与熔模铸造工艺相结合，为金属铸件开辟了全新的设计可能性，实现过去很多无法想象的复杂作品，以及在没有原始设计文件的情况下，结合3D扫描等数字化技术对艺术品或建筑结构进行重建。除了快速制造3D打铸造模型，铸造的浇筑系统也可以通过3D打印技术来直接制造，这将节省铸造时间，并得到一致的铸造结果。

l 砂型3D打印

voxeljet-维捷粘结剂喷射技术另一种可用于建筑领域的材料为砂。这种砂型3D打印工艺，可混凝土浇筑应用的模板表皮或整个模板。

3D打印天花板模板

© voxeljet-维捷

建筑模板是混凝土浇筑成形的模壳和支架，是一种临时性支护结构，按设计要求制作，使混凝土结构、构件按规定的位置、几何尺寸成形，保持其正确位置，并承受建筑模板自重及作用在其上的外部荷载。

在建筑结构中，墙壁需要以90°角（垂直）彼此定位。如果出现突出、弯曲或偏移的部分，都需要特殊的建筑模板，制造这种模板的传统制造方式耗时耗力，而三维弯曲模板这样的复杂建筑模板制作更是困难。粘结剂喷射3D打印技术是制造建筑模板的新兴技术，其优势是快速、准确的直接制造复杂建筑模板。
用于建筑立面结构的3D模板

© voxeljet-维捷

通过voxeljet-维捷粘结剂喷射技术3D打印的模板元件可进行后处理和优化，以获得理想的表面光洁度和抵抗施工现场外部天气的能力，并可便捷的地与传统模板系统（如木制模板系统）结合。尺寸不超过4 x 2 x 1米的模板元件可在无需工具的情况下进行整体打印，所有像UHPC（超高性能混凝土）之类常见类型的混凝土皆可被加工。

voxeljet-维捷3D打印技术正逐渐在建筑行业站稳脚跟，以快速、灵活的方式，助力设计师将创成式设计等数字化技术获得的优化设计方案转化为现实。这种数字化设计与3D打印相结合的新范式将与建筑业碰撞出哪些火花，3D科学谷将保持关注。

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然而，在实现满足消费者新要求的过程中，如何更好地发挥混凝土3D打印的优势？面临哪些挑战？下一步的发展方向是什么？近日，中国建筑材料科学研究总院混凝土科学与工程研究所副所长王振地在接受中国建材报的采访时分享了相关看法。

混凝土3D打印雕塑《对话》

© 中国建筑材料科学研究总院

问：目前，混凝土3D打印在我国的发展状况如何？与国外相比存在哪些差距？

王振地：混凝土3D打印自20世纪提出以来，在过去10年取得了快速发展，尤其是国内的进展非常喜人。在学术界出现了一大批研究人员投身于混凝土3D打印的研究，目前国内在混凝土3D打印材料研制、建造性评价、界面结合及结构自动化配筋等方面均有突破性进展，并实现了大型桥梁、房屋、城市园林雕塑、应急设施的3D打印和示范应用；在工业界涌现了一批新兴的企业，从事混凝土3D打印的生产和应用，相关打印产品远销多个国家和地区，起到了积极的示范作用。整体上我国与国外属于并跑状态。最近5年我国在混凝土3D打印方向的研发投入呈几何级数增加。可以预见，未来5年还将继续增加。

但我们也应该看到差距，国内混凝土3D打印基本上以挤出工艺为主，对于粉末床打印工艺和其他打印工艺的研究很少有报道，打印工艺相对单一，没有形成工艺上的百花齐放。而国外在智能动态模板浇筑和粉末床打印工艺方面已经实现了多项实际应用。另外，原创研究少，跟踪研究多，有组织、公益性质的系统研究少都是当前存在的差距。

问：面对近年来消费者提出的新需求，混凝土3D打印都取得了哪些突破性进展？在个性化和绿色化发展方面3D打印的优势是什么？图片

为流浪动物制作的3D打印建筑小品《喵坞》

© 中国建筑材料科学研究总院

王振地：近年来，在认知层面，混凝土3D打印的神秘感正逐步褪去，这与技术的进步和推广是分不开的。

在技术层面，混凝土3D打印材料逐渐丰富。混凝土3D打印技术的应用和发展，材料是关键。材料的好坏关系到可打印性，力学性能、收缩和长期服役性能。目前，国内有利用硅酸盐水泥基打印材料、硫铝酸盐水泥基打印材料、地聚合物打印材料、石膏基打印材料等不同材料体系的成功打印案例。打印材料的多寡极大程度决定了3D打印技术的应用范围。现有的3D打印材料基本上满足了建材和建筑领域的绝大部分需求。

3D打印在标准化方面也取得了突破，行业和协会团体标准的立项数量正逐步增加，为3D打印混凝土材料和结构性能的评价提供了很好的基础，在这一方向上我国比国外稍稍领先。

我国在自动化配筋领域取得重要进展。不同于国外的层间横向配筋技术，我国的科研院所、高等院校和工程局等机构先后在层间纵向配筋方面取得突破，实现了层间纵向自动配筋，显著增强了混凝土3D打印的抗拉伸和抗剪切能力。

还有很重要的一点，在我国出现了诸如房屋建筑、桥梁、风景园林、市政雕塑、应急设施等大量的应用示范工程，证明了混凝土3D打印的能力和优点，推动了混凝土3D打印行业的整体进步。

随着3D打印技术的逐渐推广与应用，其优势也得到业内外广泛认可。3D打印也被称为“绿色铸造”“柔性铸造”技术，不仅能够实现无模成型，还具有高精度、高细节度、绿色环保的优势，已经成为助力铸造产业转型升级的重要科技力量。

问：您在混凝土3D打印领域从业多年，见证了行业的发展。在这个领域您主要做了哪些工作？这些工作对行业发展起到了怎样的推动作用？

王振地：中国建筑材料科学研究总院是国内较早开展混凝土3D打印研究工作的单位之一。近年来，团队主要在混凝土3D打印的一些基础性工作方面展开了研究。一是研制了满足建造性要求的3D打印水泥基材料，建立了混凝土可打印范围，给出了3D打印水泥基材料的设计和组成调控原则，建立了基于贯入阻力的现场可打印性评价方法，指导可打印水泥基材料的组成设计，以避免相关企事业单位开展重复研究。

二是针对传统直拉和三点弯曲方法评价打印混凝土界面结合强度评价存在的难题，提出了改进型“十字交叉法”，使施加的压应力在界面处变为拉应力，解决了3D打印混凝土界面结合强度评价难题，并被制定为建材行业标准，为行业的发展作出了公益性贡献。

三是在国内外率先开发出层间长程连续纵向配筋技术，经配筋验证，抗弯拉承载力获得突破性提高，该技术集成了订书针式、射钉式和垂直插筋式自动配筋工艺，有助于提高混凝土3D打印的整体性和实用性，为混凝土3D打印自动配筋的国际难题提供了中国解决方案。

四是在国际化方面，担任RILEM TC-276 DFC（水泥基材料数字化制造），RILEM TC-ADC（3D打印混凝土材料与性能评价），RILEM TC-PFC（3D打印混凝土新拌浆体的性能要求与测试）等技术委员会委员，及时将中国混凝土3D打印的技术进步和重大进展在国际上宣传。

五是作为特邀主编组稿出版《水泥基材料3D打印》专刊一辑，征集了国内外从事混凝土3D打印研究的著名学者的工作，组稿内容涵盖了3D打印水泥基材料设计、可打印材料探索、流变性与建造性、力学性能表征与评价、应用场景与工程应用案例等前沿研究方向的最新研究进展，并深入讨论了阻碍水泥基材料3D打印技术发展的科学问题和技术难题，凝聚了国内杰出科研工作者的心血，对行业具有很高的学术参考价值和工程指导意义。

六是目前正在主编三部建材行业标准《3D打印水泥基材料术语》《3D打印水泥基材料界面结合强度评价方法》和《3D打印水泥基材料收缩性能试验方法》。主要是当前行业缺乏相应的标准规范，限制了混凝土3D打印的应用和发展，这也是目前比较迫切需要解决的问题之一，也希望更多的专家和学者能够参与这一公益性事业，多为行业作贡献。

问：您认为，在满足消费者新需求方面，目前行业主要存在哪些亟待解决的问题？这些问题对行业发展产生了怎样的影响？

王振地： 目前最主要的问题是缺乏恰当的应用场景，应用需求不足，导致产业化进展缓慢。一方面是混凝土3D打印的成本和技术成熟度的问题，整体上3D打印混凝土的成本不占优势，且配筋技术还不够成熟，应用端的需求动力不足。另一方面，混凝土3D打印缺乏必要的设计标准，在设计端没有案例或标准规范可以参考，只能在一些非标类的示范性工程上进行应用。

此外，在技术层面，目前自动化配筋还需要继续进行科研投入，没有配筋的混凝土3D打印不符合结构设计规范，也难以让普通大众接受。

问：在如何实现混凝土3D打印高质量发展，有效满足消费者新需求方面，您有哪些具体的建议和意见？

王振地：一是加大国家科技层面的政策支持。金属增材制造领域国家已经有重大专项支持，混凝土3D打印作为增材制造领域一个分支，目前尚未有专项科技投入，“十三五”期间仅在其他专项内进行了散点状的研发投入，国家科技层面未列入专项支持。建议行业协会进行积极呼吁，统筹国家科技部重点研发计划，国家自然科学基金委和新材料重大专项，对3D打印混凝土材料基础研究，关键技术集成和工程应用进行全链条设计和投入，从国家层面推动混凝土3D打印技术的快速发展。

二是加快混凝土3D打印人才队伍建设，积极培育原创核心技术。由于混凝土3D打印属于交叉学科，既需要懂材料学和机械自动化，又需要有良好的计算机背景，目前这种复合型人才还比较缺乏。在教育层面，应在高等院校内开设3D打印课程或专业，培养各类创新型3D打印人才，为学术界和工业界的快速发展提供基本人才保障；在科技层面，应加快培育一批高素质科技创新团队，形成支撑我国混凝土3D打印领域发展的中坚力量，满足当前和未来一段时间我国混凝土3D打印行业的发展需求。

三是逐步完善混凝土3D打印的标准评价体系。加快标准体系建设，满足设计、施工、验收、实验室测试和评价等不同阶段对技术标准的需求，扫除混凝土3D打印产业发展的障碍，以促进我国混凝土3D打印技术的快速发展和进步。四是积极引导混凝土3D打印的应用端需求，从应用需求端推动发展。着手规划混凝土3D打印产业的发展方向，重视3D打印的技术研发和基础研究工作，支持引导配套性的混凝土3D打印应用需求，给予政策和税收优惠，鼓励大型企业和施工单位成为拉动混凝土3D打印技术发展的主体，从应用端创造有经济和技术效益的实际需求，可以大幅度提升混凝土3D打印产业的发展水平。

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3D打印技术能够减少建筑模型制作所需的人力和时间，并创造出带有精确细节的模型作品，将设计师的理念精准的传达给客户。

PLA、ABS、PA、光固化光敏树脂等塑料材料是业界较为熟悉的建筑模型常用3D打印材料。除此之外，基于粘结剂喷射的砂模3D打印技术，在大型轻量化建筑结构模型快速制造领域展露头角，并呈现出可媲美铸铝件的视觉效果。

本期，3D科学谷将分享的正是一个通过voxeljet-维捷砂模3D打印技术所呈现出来的大型精美建筑模型应用案例。

上图中的建筑外立面3D打印模型所呈现的是德国SL Rasch建筑公司的设计。这家建筑企业专注于设计与建造轻型建筑和特殊结构。

建筑模型的作用是检查执行细节和验证可施工性，同时也为客户提供了详细的设计理念与方案。SL Rasch出于对模型的呈现效果、交付时间与交付成本的综合考量，选择采用voxeljet-维捷的粘结剂喷射砂模3D打印技术，作为模型的制造技术。

由于采用了砂模3D打印技术，倒钩和锐边内倒角的设计得以实现，设计师不再受到限制。夹持连接器等集成连接元件也可以通过3D打印制造出来。

 更高设计自由度

从模型的呈现效果来看，SL Rasch的设计师之所以选择voxeljet-维捷砂模3D打印技术，是因为其表面加工后的效果与最终所需的铝铸件最为相近。此外，增材制造-3D打印在所需模型元素的尺寸上性价比最佳。这一3D打印技术还能够呈现出倒钩或锐边内倒角，这为设计师在模型布局中的设计自由度得到提升。

voxeljet-维捷VX4000砂型3D打印系统正在逐层打印硅砂材料。

这些优势得益于逐层打印的增材制造方式。增材制造系统软件将建模结构的CAD模型以数字方式切割成数千层（即“切片”），然后在全自动工作流程中逐层打印。

VX4000砂型3D打印系统构建体积为4 x 2 x 1米。

在此过程中，3D打印设备中的的硅砂材料被以150到300微米细层的形式涂覆在构建平台之上。然后，一个可在构建平台上移动的高性能打印头将粘合剂涂抹在粉末床上。这种方法选择性地将材料粘合在一起，然后将构建平台降低一层厚度，再次施加粉末和粘合剂。重复此过程，直到所需建筑模型打印完成。最后通过手工，清除未打印的材料并拆出已完成的建筑模型组件。

 更高的时间与成本效益

除了实现更高的建筑设计自由度，SL Rasch在选择voxeljet-维捷砂型3D打印技术时还考虑了交付时间与成本。

对于SL Rasch来说，3D打印的一种替代方案是使用5轴数控铣床铣削模型。但在某些情况下，增材制造和减材制造方法之间价格差异巨大。比如说本案例中的建筑物立柱的模型制造项目，如果使用铣床进行生产成本将会增加10倍左右。

并且，通过选择3D打印，SL Rasch GmbH还可以节省相当的交付时间。根据一家铣削公司的比较报价，铣削模型需要40个工作日才能交付组件，而3D打印模型可以在短短10天内交付。这对建筑项目来说是一个很大的优势，可以尽早协调设计和计划，验证相关属性，从而避免施工计划和进度延误的风险。

经过后处理的3D打印建筑模型。

最终的立柱制造材料为铸铝材料。为了让3D打印模型看起来与最终的外观更加接近，用户对3D打印模型进行了后处理加工。经过多次打磨、渗透、密封、喷涂和雾化，最终的模型外观非常有说服力。这一设计也得到了建筑最终客户的批准，并投入了生产。

 助力建筑设计理念转化为现实

增材制造-3D打印技术正逐渐在建筑行业站稳脚跟。voxeljet-维捷已多次为建筑领域提供3D打印解决方案。

voxeljet-维捷砂模3D打印设备直接制造的复杂建筑真实比例模型。

建筑领域应用3D打印技术并不是最终目的，3D打印是一种将设计转化为现实的实现手段。无论是本案例的建筑模型，还是制造复杂混凝土浇注模板这样的新兴应用，voxeljet-维捷正在通过3D打印技术，以快速、灵活的方式，助力建筑设计师将复杂、精美，并且传统制造方式难以实现的设计理念转变为现实。

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