建筑工程论文
改革开放以来，建筑业已经发展成为我国国民经济的重要支柱产业，但随着经济社会形势的不断发展变化，建筑业面临着新的发展机遇和挑战。
“十八大”提出了“推进绿色发展、循环发展、低碳发展”和“建设美丽中国”的战略目标，将产业的转型升级提上日程。十八届三中全会对我国城镇化建设进行了全面部署，为我国建筑业发展指明了方向。国家新型城镇化发展战略给建筑业带来了重大发展机遇[1],但建筑业同时也面临着资源消耗大、能源效率低、垃圾排放大、劳动力短缺等诸多问题。
3D 打印是近期最为热点的技术之一，对制造业的发展有颠覆性影响，已经成为众多国家关注的重点领域。世界顶尖的新闻杂志《经济学人》认为 3D打印技术将引发第三次工业革命[2].建筑 3D 打印是一种以数字模型为基础，以胶凝材料和特种纤维为主的特殊“油墨”,通过逐层打印方式建造房屋的技术。建筑 3D 打印技术对我国建筑业的转型升级具有特别重要的意义。
1 建筑 3D 打印的意义
建筑 3D 打印的发展和推进，对于有效解决传统建筑业存在的问题具有重要意义。
建筑 3D 打印有利于建筑垃圾的处理和再生利用。我国城市建筑垃圾的数量已占到城市垃圾总量的 30% ~ 40%.截至 2011 年，中国城市固体生活垃圾存量已达 70 亿 t,建筑垃圾总量约为 28 亿 t,每年新产生建筑垃圾超过 5 亿 t[3].大部分建筑垃圾未经任何处理便被运往郊外或乡村，采用露天堆放或填埋的方式进行处理，浪费了大量资源。同时，垃圾清运和堆放过程中的撒漏和扬尘问题又造成了严重的环境污染。如果通过加工分离等处理技术使建筑垃圾成为建筑 3D 打印“油墨”的一部分原材料，即可实现建筑垃圾的资源化，让建筑垃圾回到建筑中，这具有非常重要的现实意义。
建筑 3D 打印有利于缩短工期、降低劳动强度。
近年来建筑业的薪酬不断看涨，这两年来，北京、上海、广州等地一些建筑工人年收入超过 10 万元。在我国逐步步入老龄化时代、劳动力越来越紧张、人力成本越来越高的形势下，劳动密集型的建筑业发展面临巨大挑战[4].建筑 3D 打印，以信息化和机械化为技术手段，可在 24h 内“打印”出 10 栋 200m2的建筑，缩短工期 70%,节约人工 80%,很大程度上缩小了对劳动力的依赖，也在很大程度上降低建筑工人的劳动强度，改善了工作环境，提高了工作效率。
建筑 3D 打印有利于减少资源和能源消耗。我国建筑能耗的总量逐年上升，在能源总消费量中所占的比例已从 20 世纪 70 年代末的 10%,上升到27. 45% .住房和城乡建设部科技司研究表明，随着城市化进程的加快和人民生活质量的改善，我国建筑耗能比例最终还将上升至 35% 左右[5].如此大的比重，建筑耗能已经成为我国经济发展的软肋。
建筑 3D 打印可以充分利用打印智能控制，使建筑一次成型，可节约材料 60%,同时可减少建造过程中的工艺损耗和能源消耗。
建筑 3D 打印有利于我国新型城镇化实现。中共“十八大”和《中共中央关于全面深化改革若干重大问题的决定》等均对我国新型城镇化提出了明确要求，要体现生态文明、绿色、低碳、节约等要求，将生态文明理念融入城镇化进程。建筑 3D 打印能打印出各种房型及装饰构件，让建筑的艺术性通过 3D打印技术一次实现； 对各种特殊设计结构、空间结构、研发性产品、单一样品具有比常规施工技术更明显的优势； 同时可有效改善施工粉尘和噪声影响，避免了环境污染； 可有效促进我国新型城镇化的实现。
建筑 3D 打印可以提高垃圾再生利用率、降低能源消耗、提高建造效率、降低劳动强度和成本； 建筑 3D 打印的广泛推广将彻底改变现行建造方式，对推动建筑产业的转型升级、促进我国新型城镇化的实现，具有非常重要的现实意义，是值得大力发展和推广的建造技术。
2 建筑 3D 打印的发展现状
3D 打印技术在建筑领域的应用目前可分为 2个方面。
1） 在建筑设计阶段，主要是制作建筑模型和城市规划模型，设计师们已经开始使用 3D 打印机将虚拟中的三维设计模型直接打印为建筑模型，这种方法快速、环保、成本低、模型制作精美，如图 1所示。
2） 在建筑施工阶段，主要是利用 3D 打印技术建造足尺建筑，通俗地说，就是用机器人盖房子。
在建筑施工领域，3D 打印建造技术的应用还处于探索阶段，国外在这方面开展了很多实践，国内在这方面也处于领先地位。美国的“轮廓工艺”、意大利的“D-shape”、中国的盈创、荷兰的“KamerMaker”、英国的 Arup 都对建筑 3D 打印技术进行了深 入 研 究，取 得 了 很 多 具 有 开 创 性 的 研 究成果。
2. 1 美国的“轮廓工艺”
2012 年，美国航天局（ NASA） 与美国南加州大学合作，最新研发出“轮廓工艺”3D 打印技术，24h内就可以打印出大约 230m2的 2 层楼房，大大节约了建筑时间和建筑成本[6].“轮廓工艺”项目负责人、南加州大学教授霍什内维斯介绍[7],“轮廓工艺”其实就是一个超级打印机器人，其外形像 1 台悬停于建筑物之上的桥式起重机，两边是轨道，中间的横梁是打印头，如图 2 所示。横梁可以上下、前后移动，进行 x 轴和 y 轴的打印工作，一层层地将房子打印出来。“轮廓工艺”打印的构件如图 3 所示。
“轮廓工艺”3D 打印技术目前可以采用水泥混凝土为材料，按照设计图的设计，用 3D 打印机喷嘴喷出高密度、高性能混凝土，逐层打印出墙壁和隔间等，再用机械手臂完成整座房子的基本构架，全程由计算机程序控制。建造过程中，打印头会根据计算机的指示，按照设计图外形，像挤牙膏一样，在指定位置喷出 1圈半流体的混凝土材料。然后喷嘴附带的 2 个泥铲会自动伸出，规整混凝土的形状，如图 4 所示。
2. 2 意大利的“D-shape”
2012 年，Enrico Dini 发明了大型建筑 3D 打印机“D-shape”[8].“D-shape”外形像巨大的铝桁架结构，中部是打印技术的关键---打印头，整个结构质量非常小，而且非常容易被拆卸、运输和组装。“D-shape”用建筑材料打印出高 4m 的建筑物。“D-shape”打印头的底部有数百个喷嘴，可喷射出镁质黏合物，在黏合物上喷撒砂子可逐渐铸成石质固体，通过一层层的黏合物和砂子结合，最终形成石质建筑物。打印机喷头每打印 1 层时仅形成 5 ~10mm 的厚度，打印速度较慢。建造完毕后建筑体的质地类似于大理石，比混凝土的强度更高[9].Enrico Dini 也在尝试打印更大的结构，并尝试在结构中插入钢筋以提高结构的整体性能。
2. 3 中国的盈创
2014 年 5 月，10 幢 3D 打印建筑在上海揭开神秘面纱[10].这些建筑的墙体是以特殊“油墨”为原料，“油墨”主要是建筑垃圾、工业垃圾、水泥，此外还有玻璃纤维和特殊的助剂。计算机根据设计图纸控制 1 台大型 3D 打印机层层叠加打印而成，墙体构件是中空的，可在里面填充保温材料，因此具有良好的保温性能。打印机械比较类似于汽车式起重机，打印机械的喷嘴连续挤出条状的“油墨”,“油墨”层层堆叠形成了一面墙，打印的核心技术就是保证“油墨”在堆叠的过程中不会坍塌，喷嘴挤出第 2 层“油墨”时，第 1 层“油墨”必须半凝固，既不能流动，又要与第 2 层黏合。
2015 年 1 月，中国建筑第八工程局有限公司携手盈创打印出世界上最高的 3D 打印建筑[11],这是1 幢 5 层的房子，因为房子高度较大，为了抵抗风荷载和地震荷载，在 3D 打印的墙体中还加入钢筋，并对空心墙体进行灌实。
2. 4 荷兰的“Kamer Maker”
2014 年 3 月，荷兰的 Dus Architects 公司在阿姆斯特丹北运河带上利用 1 台名为 Kamer Maker 的大型 3D 打 印 机 开 始 打 印 1 栋 运 河 房 屋“CanalHouse”,共由 13 个房间组成[12].目前整个项目已经开始在北部运河的一块空地上“奠基”,整个建筑有望 3 年内构建完成。
“Kamer Maker”使用的打印材料为可循环塑料，塑料可从碎塑料瓶子中回收得到。根据设计方案，“Kamer Maker”将打印一系列的构件，首先是建筑外墙，然后是天花板和房间的其他部分，最后是家具。这些部件将在原地进行装配，由于它们的一些边缘已经像巨型乐高积木一样设计成型，因此能够互相连接到一起组装成房屋。每打印一块构件需要花费大约 1 周时间，因此整个项目的工期为 3年，由于打印速度比较慢，设计人员通过给打印头加装风扇等方式加快打印速度。构件具有蜂窝状的内部结构，最终将充满一种材料，使其达到类似于混凝土的硬度，以支撑整栋房屋。
2. 5 英国的 ARUP
2014 年 6 月，工程顾问公司 ARUP 在海牙设计了一个张拉整体结构，整个结构中存在着不规则连接和特殊结构角度，导致 1 200 个节点的每个节点都是唯一的。如果按照传统的焊接或铸造技术来生产这些节点，成本将非常高，因为每个节点都是唯一的，磨具或切割焊接成本将非常高，因此 ARUP利用 SLS 技术开发了 1 套 3D 打印设备，复杂异形钢节点能够通过 3D 打印设备很快地制造出来。先进的制造工艺导致了设计方法的改进，这些节点采用了最新的优化设计方法，沿着结构的传力路径布置材料，使每部分材料均发挥最大作用。正是因为采用了先进的设计方法和制造工艺，3D 打印的节点要比传统方法制造的节点更轻盈，每个节点的直接质量减少了 75%,从而可以将整体结构的质量减少超过 40%[13].