摘要：《“十四五”建筑业发展规划》明确，“十四五”时期，我国要初步形成建筑业高质量发展体系框架，建筑市场运行机制更加完善，工程质量安全保障体系基本健全，建筑工业化、数字化、智能化水平大幅提升，建造方式绿色转型成效显著，加速建筑业由大向强转变。鉴于3D打印技术展现出了

《“十四五”建筑业发展规划》明确，“十四五”时期，我国要初步形成建筑业高质量发展体系框架，建筑市场运行机制更加完善，工程质量安全保障体系基本健全，建筑工业化、数字化、智能化水平大幅提升，建造方式绿色转型成效显著，加速建筑业由大向强转变。鉴于3D打印技术展现出了自动化程度高、精确度高、一致性强、工作效率快等优势，其在建筑领域的应用前景非常广阔。为加深对混凝土3D打印技术的理解，本文从3D打印技术出发，详细介绍了混凝土3D打印技术，列举了国内外学者关于3D打印混凝土的研究成果，发现经过技术革新，3D打印混凝土的材料强度和耐水性得到了显著提升，并对混凝土3D打印技术存在的不足提出了相应的改进建议，以期推动混凝土3D打印技术的进一步发展。

随着城市的发展，工程建设对混凝土的需求持续增加，全球每年生产混凝土超过40亿吨。2022年中国建筑节能协会统计的建筑能耗与碳排放研究报告显示，混凝土材料生产耗能4.9亿tce，碳排放12.3亿吨CO2，其占建筑生产阶段的能耗和碳排放均为44%。混凝土在生产和应用的过程中存在能源消耗高、材料浪费多等问题，为解决这些问题，研究人员将3D打印技术的优点运用到传统的混凝土施工技术中。

3D打印作为“第三次工业革命”的标志性技术，被广泛运用于工业设计、航空航天、工程建筑等领域，给传统的生产技术带来了冲击。孟庆成等用全生命周期方法评价混凝土3D打印技术，结果表明，相较于传统建造方式，混凝土3D打印技术不仅节约了人工的使用，还减少了碳排放总量15.97%。本文从3D打印技术出发，介绍混凝土3D打印技术的原理、设备与材料，列举3D打印技术在建筑领域的应用，并将其与传统施工技术进行对比，分析其存在的不足，以期进一步推动混凝土3D打印技术的发展。

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3D打印技术

3D打印是以三维数字模型（CAD）为基础，将三维物体视为二维层状结构，通过逐层堆积材料的方式制造物体，因此3D打印又被称为增材制造。

3D打印技术的发展进程如下：1986年，美国Charles Hull提出立体光固化技术（SLA），并通过3D systems公司推出世界第一台立体光固化打印机，该技术通过控制紫外线光束和升降台，照射光固化材料表面，使材料有序成型。1988年，美国Scott Crump提出熔融沉积成型技术（FDM），其是利用材料的热熔性和粘连性，在指令的控制下指挥打印头在X、Y坐标中移动并挤出打印材料，打印材料涂覆在打印平台上迅速固化，在成型一层后继续改变打印平台的高度逐层固化，即可得到打印对象。1989年，美国C. R. Dechard提出了选择性激光烧结技术（SLS），其原理是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，使烧结成型的固化层逐层叠加，制造所需要的物体。1989年，美国工程师Michael Feygin开发出第一台分层实体制造打印机，运用的分层实体制造技术（LOM）是以片材作为原材料，在表面涂上热熔胶并通过热压辊碾压使材料粘连，再利用激光分层对材料进行轮廓扫描切割，最终实现物体的成型。表1为以上4种打印技术的优缺点。

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混凝土3D打印技术

随着建筑设计与建筑施工技术水平的不断提高和装配式建筑的不断发展，传统的现场搅拌和浇筑混凝土的方式已在很大程度上被预制构件和装配式建筑所取代。将3D打印技术应用到建筑行业中，可为未来的设计与制造开辟全新的发展空间。

轮廓成型工艺、D-shape工艺，以及混凝土3D打印工艺是建筑3D打印的三大工艺。1997年，美国Behrokh Khoshnevis提出了轮廓成型工艺，该轮廓成型工艺使用计算机控制材料的挤出，喷头附带泥刀对打印出来的轮廓进行修整，制造出更加光滑的建筑。Enrico Dini于2004年提出了D-shape工艺，并于2010年发明了世界第一台大型建筑3D打印机，其工作原理是喷头交替喷射颗粒物并沉积，例如打印机先喷射出镁质粘合物，然后在粘合物上喷射沙子，交替喷射形成实质建筑物。2008年，英国Richard Buswell提出混凝土3D打印工艺，以FDM工艺为原型，使用混凝土材料代替热塑性塑料，其工作原理如图1所示。在混凝土搅拌器内加入适当比例的胶凝材料、骨料、水或外加剂制备混凝土，并在计算机上对物体设计建模，发出系统命令控制机械臂，通过喷嘴挤出混凝土，最终制造出设计的混凝土构件。表2为以上三大工艺的特点。

与传统的混凝土施工方式相比，混凝土3D打印技术拥有许多优势。在建造自由度方面，混凝土3D打印技术具有极高的设计自由度，传统的混凝土施工需要使用模板，约束其形状，而混凝土3D打印技术不需要模板约束，直接依据设计模型进行混凝土堆积，能建造各种复杂的几何形状。在建造精度方面，对于建设施工过程中精度要求较高的部位，由于混凝土3D打印技术能减少人工的使用甚至不使用人工，省去了手工操作环节，直接由电脑控制机械设备，可以很好地控制尺寸误差。在建造的速度方面，3D打印技术相较于传统施工不仅有更高的工作效率，而且打印设备还可以24小时不间断工作，同时打印出来的混凝土材料能实现快速成型，有效减少建设工期。在材料的利用方面，混凝土3D打印技术的材料根据电脑指令严格控制打印的用量，减少混凝土材料的浪费，增加材料的利用率，从而减少建筑垃圾的产生与环境污染。在建造的成本方面，混凝土3D打印技术减少了劳动力的使用以及材料的浪费，缩短了建设工期，大大降低了建造的成本。

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混凝土3D打印设备

3D打印设备是实现混凝土3D打印的基石，也是建造CAD模型的重要载体，打印机主要由机械系统、喷射系统、数控等子系统组成。按照打印机尺寸、有效打印范围、打印速度、打印控制精度等参数可将3D打印机分为桌面级、实验室级、工业级3种等级。国内的打印设备按结构形式进行分类，主要分为龙门式、框架式、机械臂式打印机，如图2所示。

龙门式打印机周边为刚性支架，挤出喷头随X、Y、Z坐标轴方向移动，理论上可以根据需求延长Y轴方向，其具有拆装便利、利于运输，常用于大型建筑的建造；框架式打印机结构与龙门式打印机相似，具备更高的精度与稳定性，由于受到打印框架尺寸的限制，框架式打印机适合打印小型建筑构件和市政装饰；机械臂式打印机又被称为机器人打印机，其喷头跟随机械臂移动，而机械臂安装在可移动的底座上，具有更高的灵活性，因此不会受到打印机尺寸的限制。根据不同类型打印机的特点与优势，在建造过程中结合现场情况与建筑需求合理选择打印机类型。

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混凝土3D打印材料

实现3D打印混凝土技术的关键，在于选用优质的打印材料，这些材料必须兼具出色的可塑性和高强度的特性。在3D打印过程中，混凝土材料需要具备优异的挤出性和流动性，以及可控制的凝结时间等性能。只有当混凝土材料能连续且均匀地挤出时，才能确保建筑结构的顺利构建。此外，还需特别关注材料挤出后的早期强度，即材料的可建造性，以确保建筑的安全与稳定。为此国内外学者对混凝土打印材料展开了大量研究。

WEI Y等提出了一种利用混凝土坍落度和扩展度衡量混凝土材料可打印性的方法，当坍落度在4～8 mm、扩展度在150～180 mm时，3D打印混凝土具有良好的可建造性。HENG G T A等通过试验发现，当玻璃骨料与粘结剂之比、纳米粘土含量和细度模量极限值分别为0.9、0.2%和2.4时，在极限范围内，混凝土材料均可连续挤出。LEONID D等研究发现，在粉煤灰水泥中掺入聚合物外加剂，能提高打印混凝土的抗拉强度，这不仅能增加打印混凝土层间的粘性，还能消除粉煤灰水泥的缺点。冯攀等选择丙烯酰胺以原位聚合的方式制造打印混凝土，这不仅能提高3D打印混凝土的流动性，还能提高其28 d抗折强度和粘结强度。杨钱荣等对水下3D打印混凝土进行研究，发现当同时掺入0.5%乳胶粉、0.1%纤维素醚、0.025%淀粉醚时，打印混凝土具有良好的工作性能、力学性能和抗分散性能。孙晓燕等优化调整了水下3D打印混凝土的配合比，发现水下混凝土絮凝剂的最佳掺量为胶凝材料质量的2%。

随着城镇建设速度的加快，建筑垃圾也逐渐增多，使用3D打印混凝土可提高建筑垃圾的再生资源利用率，对环境保护具有重要意义。刘超等发现3D打印再生骨料混凝土在冻融200次后，其抗冻性能相比原生骨料表现出明显劣势，但再生骨料掺量100%的混凝土在冻融600次循环后，其抗冻性能要优于再生骨料掺量50%的混凝土。柏美岩等在工程弃土中加入粘土和再生粉作为打印混凝土，发现当粘土比例达50%时，混凝土的打印效果有明显改善；当再生粉掺量为5%时，打印混凝土的无侧限抗压强度可提高22.5%。李威翰在3D打印建筑垃圾微粉地聚物水泥的研究中发现，当微粉掺量为0.5%时，可提高水泥的挤出性；当微粉掺量不超过20%时，可提高地聚物水泥的可建造性。王博林等根据混凝土的可打印性和力学性能，确定了当粉煤灰、硅粉和高炉矿渣的最佳掺量分别为20%、15%和10%时，打印混凝土的抗压强度明显提高。

综上所述，随着技术的进步，混凝土3D打印材料朝着良好的打印性能、高强的材料性能和优秀的耐水性能方向发展，打印材料性能的提升势必会推进混凝土3D打印技术的发展。

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实际应用

混凝土3D打印技术最早是运用于小型建筑打印，Enrico Dini发明D-Shape打印机后，做出了打印月球基地的大胆尝试，如图3所示。随后建筑逐渐应用于房屋建筑、预制构件生产，以及景观、园林等场景，目前混凝土3D打印技术主要作为传统建筑建造的补充手段。

目前，在房屋建造方面，3D打印混凝土被广泛应用。2014年，上海盈创建筑公司在青浦园打印出10栋200 m2的3D打印建筑，如图4所示。这是国内首批3D打印建筑群，由再生混凝土3D打印建造而成，整个打印过程仅耗时24小时。2015年，该公司打印了地上5层地下1层的框架式建筑，是当时世界上最高的3D打印建筑，打破3D打印技术不能建造高层的说法，如图5所示。

2016年，一座高6 m，长、宽均为15 m，墙体厚度25 cm，抗震等级达8级以上的双层3D打印别墅，由华商腾达工贸有限公司耗时45天建造完成，如图6所示。在打印过程中，这座双层3D打印别墅只需要技术专家监督建造，几乎没有其他人力介入，其整体一次性打印成型的特点引起了广泛关注。2019年，Apis Cor公司为迪拜市政府打印了一栋2层行政大楼，建筑高9.5 m，面积640 m2，是当时最大3D的打印建筑，如图7所示。2020年，上海盈创建筑公司利用混凝土3D技术建造了防疫隔离仓，该隔离仓长3.8 m、宽2.4 m、高2.8 m，如图8所示，由工厂打印建筑，只需要运输现场，通电后即可正常使用，打印一间隔离仓仅耗时2小时，未来也可以移动后循环利用。2021年，清华大学徐卫国团队在河南武家庄建造106 m2的农宅，室内的座椅等家具也由混凝土打印建造，是全国第一栋完全由3D打印混凝土建造的房屋，该房屋于2023年获得河南省“十佳百优美丽家园”，如图9所示。3D打印房屋数量的不断增加，其建筑的尺寸与高度不断打破以往的纪录，促进了混凝土3D打印技术的发展与完善，为未来3D打印建筑的商品化推广打下基础。在桥梁建造方面，3D打印混凝土技术已进行了数量可观的应用。2017年，埃因霍温科技大学在荷兰海默建造了钢筋预应力混凝土桥梁，该桥长8 m，宽3.5 m，桥梁分6段进行打印，打印完成后由现场拼接再利用预应力筋张拉使桥梁成为一个整体，其施工速度是传统施工速度的3倍，如图10所示。2018年，西班牙建造出世界首座3D打印混凝土桥梁—阿尔科文达斯桥，该桥长12 m，宽1.75 m，由8个预制3D打印混凝土组装而成，用时半个多月，该桥的建造节约了建造的成本，减少了建筑废料的产生，如图11所示。2019年，河北工业大学团队利用装配式混凝土3D打印赵州桥，该桥全长28.10 m，单拱跨度18.04 m，桥宽4.20 m，是当时世界上最长的3D打印，如图12所示。2021年，上海酷鹰公司在成都驿马河公园打印了一座大型混凝土3D打印桥，该桥全长66.58 m，3D打印桥部分长22.5 m、宽2.6 m，如图13所示。3D打印桥梁施工方式简单，只需由工厂预制，再到现场装配即可完成，并且具备建造时间短和节约材料的优点，在未来可广泛运用于小型桥梁和景观桥。

除了在房屋与桥梁建造中进行应用外，3D打印混凝土技 术在景观建 造中同样 具备广阔的应 用前景，图14～图16分别为3D打印的摆件、花盆和椅子。而混凝土3D打印技术与信息技术进行结合已经成为一种全新的应用趋势，2023年剑桥大学的研究人员与企业合作，开发了一堵高2 m、宽3.5 m的3D混凝土智能挡土墙，他们在打印挡土墙结构中嵌入了传感器，能提供实时温度、应变和压力等数据，这些数据能很好地发现潜在的故障，如图17所示。

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存在的问题与建议

（1）缺乏相关标准。尽管中国工程建设标准化协会已经于2020年发布T/CECS 786—2020《混凝土3D打印技术规程》，但其涉及面较窄，无法形成完整的规范体系。

（2）打印材料要求高。混凝土3D打印材料的选择限制较多，不仅要求打印的混凝土具有良好的流动性、挤出性等性能，而且在打印过程中还需要考虑材料的自身强度以及层间的间隙和粘合强度。

（3）建造尺寸限制。在水平方向上，混凝土3D打印建造尺寸受到打印机打印范围和可移动范围的限制；在垂直方向上，受到材料的影响，混凝土3D打印目前无法一次成型打印出高层及超高层建筑.

（4）打印设备限制。尽管3D打印混凝土技术在建设过程中可以减少成本，但是前期研究高精度打印设备时需要投入大量资金。在打印机原位建造时，混凝土3D打印还可能受到天气、场地等因素，无法进行生产活动，若混凝土3D打印机造成破坏，还需耗费资金进行维修。

（5）缺乏技术人才。目前对于混凝土3D打印技术的研究主要集中于打印设备与新材料的研发，很少注重技术人才的培养，这不利于混凝土3D打印技术在实际工程中的应用。在混凝土3D打印技术实现大规模商业化应用之前，亟须确立一套完善的行业规范，应将专家学者的研究成果转化为详尽的技术规程，涵盖材料要求、验收标准、抗震减震等多个方面，以构建全面的标准体系。此外，混凝土3D打印技术的应用与打印设备息息相关，建筑的打印尺寸直接受限于打印机的规格。因此，需加快大型打印设备的研发，并提升打印机的机械性能，如防水性和可移动性等，以适应各种复杂的施工环境。在打印材料的研发方面，既要确保材料具备基本的可打印性能，又要追求更高的强度，甚至超越传统混凝土，因此在新材料的开发中掺入固废材料、合金材料等多元材料，以丰富混凝土3D打印技术的材料选择。

尽管混凝土3D打印技术有助于减少人工劳动力，但打印质量在很大程度上依赖于技术人员的操作水平。从打印机的安装、操作、调节到维护，每一环节都需要专业人员的精心把控。因此，对打印技术人员的规范培训显得尤为重要，应加大培训力度，以提高操作人员的专业技能。同时，考虑到万物互联的时代发展趋势，应将混凝土3D打印技术与互联网技术相结合，充分利用互联网便捷、高效和精准等优势，推动混凝土3D打印技术向更实用、更智能的方向发展。

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结语

混凝土3D打印技术相较于传统的施工工艺，展现出了诸多优势，能显著节约人工成本，提高施工效率，缩短建设工期，减少废料的产生和排放，保证建筑结构的精准度，降低施工的总体成本。但混凝土3D打印技术还处于起步阶段，技术的发展和应用还面临一些挑战，相信随着打印设备和打印材料的不断发展和突破，混凝土3D打印技术有望取代传统的施工工艺，成为国家建设中的主流技术，推动建筑行业的可持续发展，为保护环境、减少污染作出贡献。

来源：固废利用与低碳建材