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一、概述

3D 打印是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或非金屬材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體空間形態(tài)的快速成型技術(shù)。由于其在制造工藝方面的創(chuàng)新，被認(rèn)為是“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”。3D 打印的思想起源于19 世紀(jì)末的美國，并在20 世紀(jì)80 年代得以發(fā)展和推廣。3D 打印技術(shù)正在被應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域，比如航空航天、工業(yè)設(shè)計(jì)、醫(yī)療、藝術(shù)設(shè)計(jì)、建筑模型和教育等領(lǐng)域，近幾年來3D打印技術(shù)在打印建筑的應(yīng)用中也得到了突破，新型的、智能化的建筑3D打印技術(shù)在行業(yè)內(nèi)的關(guān)注度也不斷提高，由于其在打印建筑在自由度、個(gè)性化創(chuàng)造、原材料利用率、省工等多個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，在未來具有很大的發(fā)展也應(yīng)用前景。

雖然我國3D產(chǎn)業(yè)政策規(guī)劃起步較晚，但是后發(fā)優(yōu)勢(shì)較為明顯。在借鑒國外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，我國政府加快了政策出臺(tái)頻率，并全面統(tǒng)籌規(guī)劃內(nèi)容，支持力度更大。2013年4月，3D首次入選《國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)》和《國家科技支撐計(jì)劃制造領(lǐng)域2014年度備選項(xiàng)目征集指南》，將3D打印提上以科技推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型的日程；2015年2月，我國出臺(tái)《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃(2015-2016年)》則將3D打印正式升格為國家戰(zhàn)略，以全方位產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃的形式推進(jìn)3D產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。2016年8月，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部下發(fā)了《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》 對(duì)3D打印技術(shù)有了新的指示：“積極開展建筑業(yè)3D打印設(shè)備及材料的研究。結(jié)合BIM技術(shù)應(yīng)用，探索3D打印技術(shù)運(yùn)用于建筑部品、構(gòu)件生產(chǎn)，開展示范應(yīng)用?！?/p>

二、建筑3D打印技術(shù)發(fā)展概況

建筑3D打印技術(shù)是將3D打印與建筑施工有機(jī)結(jié)合起來的一種新型建筑技術(shù)。建筑3D打印的原理是將需要打印的建筑構(gòu)件利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模型分割，將三維的圖形信息轉(zhuǎn)化為打印路徑以及打印速度，將混凝土或砂漿拌合物通過輸送系統(tǒng)泵送至打印頭，通過建筑3D打印機(jī)依照軟件預(yù)先處理好的路徑在XYZ軸的走位，使打印材料逐層疊加，最終制備得到建筑構(gòu)件。建筑3D打印技術(shù)中的打印混凝土、砂漿材料由于具有的可塑性、工作性、觸變性以及早期的力學(xué)性能有別于傳統(tǒng)材料的性能，是一種新型建筑材料。3D打印建筑技術(shù)與傳統(tǒng)建筑相比，其優(yōu)勢(shì)在于速度快，不需要使用模板，不需要數(shù)量龐大的建筑工人，可以節(jié)省人力成本、提高建造效率；可以非常容易地打印出其他方式很難建造的高成本曲線建筑。

1.建筑3D打印設(shè)備發(fā)展概況

建筑3D打印設(shè)備是實(shí)現(xiàn)高精度連續(xù)分層布料免模板建造的重要手段，也是實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)與建造一體化中的重要工具。建筑設(shè)計(jì)中呈現(xiàn)的空間復(fù)雜性以及表面外形漸變特征，對(duì)于傳統(tǒng)的以手工建造為主的建造技術(shù)來說是一個(gè)巨大的難題，而打印設(shè)備給了這個(gè)問題一個(gè)正面的解答：基于參數(shù)的操作模式，打印設(shè)備使這種高性能建筑的設(shè)計(jì)與建造真正成為一套連續(xù)完整的模式。

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，混凝土3D打印設(shè)備已經(jīng)開始應(yīng)用于制作建筑大型構(gòu)件，依托于不同成型原理的打印技術(shù)也得到不斷發(fā)展，其中以濕料擠出工藝為基礎(chǔ)的擠出成型類3D打印設(shè)備占據(jù)了主導(dǎo)地位。濕料擠出成型技術(shù)是以熔積成型技術(shù)-FDM為原型，由混凝土濕料替代FDM技術(shù)中的石蠟、金屬、塑料、低熔點(diǎn)合金絲等絲狀材料原料，通過擠出頭打印出各種形狀的結(jié)構(gòu)。目前，基于濕料擠出成型技術(shù)為原理開發(fā)的混凝土3D打印系統(tǒng)類型繁多。根據(jù)打印系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式分類，可分為直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)以及復(fù)合式結(jié)構(gòu)。

（一）直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)

Contour Crafting（簡(jiǎn)稱CC）打印系統(tǒng)是最悠久且仍在流行的混凝土打印技術(shù)之一。這項(xiàng)技術(shù)由南加州大學(xué)Khoshnevis教授于1998年第一次公開提及。建筑3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)采用設(shè)備為龍門吊車形式，在導(dǎo)軌式移動(dòng)。橫梁可以上下擺動(dòng)前后移動(dòng)，模塊化設(shè)計(jì)，打印頭在橫梁上左右移動(dòng)，打印材料經(jīng)過干混砂漿混漿泵或打印用混凝土泵車攪拌后，輸送到擠出打印頭，通過電腦控制實(shí)現(xiàn)材料打印。

Concrete Printing（簡(jiǎn)稱CP）打印系統(tǒng)由Richard Buswell博士和Simon Austin教授率領(lǐng)的拉夫堡創(chuàng)新型制造和建造研究中心（IMCRC）團(tuán)隊(duì)開發(fā)，打印系統(tǒng)5.0m×5.0m×6.0m，可實(shí)現(xiàn)2m×2.5m×5m的大型混凝土構(gòu)件打印。

中國建筑技術(shù)中心于2014年開始致力于建筑3D打印技術(shù)的研究，開發(fā)出了一系列CSCECTC打印系統(tǒng)，通過智能化控制實(shí)現(xiàn)了輸料和布料系統(tǒng)之間的協(xié)同工作。2019年中建技術(shù)中心與中建機(jī)械合作設(shè)計(jì)開發(fā)大型混凝土3D打印系統(tǒng)，可原位打印尺寸為16m ×13m × 10m的建筑。此系統(tǒng)主要用于制作足尺寸建筑部品及景觀構(gòu)件，同時(shí)具備了智能化的布料打印能力，可實(shí)現(xiàn)任意圖形的布料打印。

（二）極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)

Apis Cor移動(dòng)式3D打印機(jī)由俄羅斯設(shè)計(jì)師Nikita Chen-iun-tai于2016年設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)不是傳統(tǒng)XYZ三軸設(shè)置，由一個(gè)360°可旋轉(zhuǎn)底座和可伸縮臂展8.5m的旋轉(zhuǎn)手臂構(gòu)成，配有自動(dòng)混料裝置、建造材料供應(yīng)裝置和可運(yùn)輸儲(chǔ)存干混料的儲(chǔ)料桶。打印速度為1~10m/min，X/Y軸的位移精度為0.5mm，往復(fù)位移精度為0.2mm，Z軸位移精度為0.1~0.2mm。混凝土泵的供應(yīng)量為30L/min，最大承受壓力為20Bar，最大供應(yīng)高度30m，最大供應(yīng)長(zhǎng)度80m。

（三）球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)

BigDeltaWASP打印系統(tǒng)是由WASP團(tuán)隊(duì)于2015年在意大利設(shè)計(jì)，2016年開始進(jìn)行打印可行性實(shí)驗(yàn)。其設(shè)計(jì)初衷是通過模仿陶土蜂的動(dòng)作，將泥土逐層堆積建造他們的家園。機(jī)器包括機(jī)械架體、控制系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)和水泥攪拌機(jī)，總高39英尺（約12米），整個(gè)打印區(qū)域位于格子框架下方。這臺(tái)打印機(jī)最初是作為一種使用當(dāng)?shù)夭牧辖ㄔ炝畠r(jià)住宅的方法。

（四）關(guān)節(jié)式（機(jī)械手）結(jié)構(gòu)

關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)以CyBe 3Dp打印系統(tǒng)為代表，由荷蘭公司CyBe Construction于2013年開始開發(fā)，通過將打印頭安裝在一個(gè)機(jī)械手臂上，實(shí)現(xiàn)砂漿3D打印。第一代打印系統(tǒng)名為CyBe R 3Dp，是一種模塊化3D混凝土打印系統(tǒng)。硬件方面，該系統(tǒng)包括機(jī)械手（臂展2.75米）、混合泵系統(tǒng)和帶接口的控制單元；軟件方面包括CyBe CHYSEL切片軟件、CyBe ARTISAN控制軟件。打印機(jī)通過CyBe ARTISAN控制，與切片軟件CyBe CHYSEL配合使用，將3D模型轉(zhuǎn)換成Gcode文件以便打印機(jī)讀取。隨后利用系統(tǒng)配套的CyBe MORTAR材料即可在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行3D模型打印。系統(tǒng)打印的平均速度為200mm/s。

2.建筑3D打印材料發(fā)展概況

建筑3D打印技術(shù)最重要的技術(shù)之一是材料技術(shù)。3D打印機(jī)是實(shí)現(xiàn)材料到產(chǎn)品的一個(gè)途徑，隨著工業(yè)精密機(jī)床技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)不斷發(fā)展趨于成熟，使得制造一個(gè)符合技術(shù)要求的3D打印機(jī)成為可能。但是能夠滿足3D打印技術(shù)去制造產(chǎn)品的材料技術(shù)才是3D打印技術(shù)的根本。因此，建筑3D打印材料是實(shí)現(xiàn)建筑3D打印首要解決的技術(shù)問題之一。

建筑3D打印材料是在傳統(tǒng)建筑原材料基礎(chǔ)上對(duì)傳統(tǒng)混凝土材料的改進(jìn)與升華，所以它的性能首先要滿足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中建筑物對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐久性能的要求。另外從經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能方面來說，它應(yīng)該滿足原材料就地取材，材料成本低，綠色環(huán)保等要求。打印混凝土的性能還必須具備滿足建筑3D打印工藝要求的性能，建筑3D打印工藝由于是沒有模板的堆積成型技術(shù)，所以打印材料的可堆積性和在塑性階段下層材料對(duì)逐漸增加的上層材料的承載力是最重要的性能。建筑3D打印工藝對(duì)打印材料的性能要求主要有以下幾個(gè)方面： 

（1）凝結(jié)時(shí)間：3D打印材料應(yīng)該具有初凝時(shí)間可調(diào)，初、終凝時(shí)間間隔小的特點(diǎn)；初凝時(shí)間可調(diào)是指可根據(jù)打印長(zhǎng)度和高度大小以及打印速度的快慢調(diào)整材料達(dá)到初凝的時(shí)間；初、終凝時(shí)間間隔小，是為了保證打印材料有足夠的強(qiáng)度發(fā)展速率，保證材料具有在不同高度材料自重作用下不變形的承載力。

（2）強(qiáng)度：打印混凝土應(yīng)該具有足夠的早期強(qiáng)度，特別是1-2小時(shí)內(nèi)的早期強(qiáng)度應(yīng)該發(fā)展較快，能夠保證在連續(xù)3D打印施工過程中對(duì)建筑結(jié)構(gòu)整體荷載的具有足夠的承載力，保證打印結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固不變形。建筑3D打印材料的后期強(qiáng)度保持一定的增長(zhǎng)，從而滿足建筑物本身對(duì)材料強(qiáng)度的要求。

（3）工作性：首先打印材料在被輸送系統(tǒng)輸送過程中應(yīng)該具有一定的流動(dòng)性，避免輸送管路的堵塞，其次打印材料從打印頭擠出后能夠具有承受荷載不變形的能力，能夠支撐自重以及打印過程中的動(dòng)荷載的性能，這也就是要求建筑3D打印材料具有一定的觸變性。

（4）層間粘結(jié)性：應(yīng)該具有良好的層間粘結(jié)力，保證成型墻體的各項(xiàng)差異性小，保證層間的連接致密不滲水、打印的建筑物致密、穩(wěn)固。

（5）工業(yè)化生產(chǎn)：建筑材料一般具有用量大，工業(yè)化集中生產(chǎn)的特點(diǎn)。所以3D打印混凝土的生產(chǎn)也應(yīng)該考慮滿足工業(yè)產(chǎn)品化制備，保證混凝土的性能穩(wěn)定，同時(shí)也保證了在打印過程中材料的零損耗，易于使用的特點(diǎn)。

三、我國建筑3D打印技術(shù)應(yīng)用新進(jìn)展

近年來，3D打印技術(shù)在機(jī)械制造、航空、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并且逐漸拓展至建筑領(lǐng)域。3D打印技術(shù)能夠有效解決建筑傳統(tǒng)施工中存在的手工作業(yè)多、模板用量大、復(fù)雜造型難以實(shí)現(xiàn)等問題，并且在建筑個(gè)性化設(shè)計(jì)、智能化建造等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

1. 3D打印基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用

2019年1月，由清華大學(xué)-中南置地?cái)?shù)字建筑研究設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)，與上海智慧灣投資管理有限公司共同建造的3D打印混凝土步行橋在上海落成。這座橋長(zhǎng)26.3米、寬度3.6米，采用單拱結(jié)構(gòu)承受荷載，拱腳間距14.4米。整體橋梁工程采用兩臺(tái)機(jī)械臂3D打印系統(tǒng)，共用450小時(shí)打印完成全部混凝土構(gòu)件。橋體由橋拱結(jié)構(gòu)、橋欄板、橋面板三部分組成，橋體結(jié)構(gòu)分為44塊，橋欄板分為68塊，橋面板共64塊，均通過打印制成。這些構(gòu)件的打印材料均為聚乙烯纖維混凝土添加多種外加劑組成的復(fù)合材料，具有可控的流變性，可滿足打印需求。該步行橋運(yùn)用了自主開發(fā)的混凝土3D打印系統(tǒng)技術(shù)，該系統(tǒng)由數(shù)字建筑設(shè)計(jì)、打印路徑生成、操作控制系統(tǒng)等創(chuàng)新技術(shù)集成，具有工作穩(wěn)定性好、打印效率高、成型精度高和可連續(xù)工作等特點(diǎn)。

圖1 3D打印混凝土步行橋

2019年10月，由3D打印分會(huì)理事長(zhǎng)馬國偉教授智能建造團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)建造完成了“裝配式混凝土3D打印趙州橋”， 橋長(zhǎng)28.10米，單拱跨度18.04米，橋?qū)?.20米。裝配式3D打印趙州橋?yàn)閱慰珉p腹拱結(jié)構(gòu)，腹拱為三鉸拱，拱上建筑與主拱進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度分離。采用模塊式拼裝，主拱部分合計(jì)21塊。腹拱由24塊寬度為0.7米的腹拱圈拼裝而成。為了滿足主拱打印的尺寸需求，研發(fā)了大型滑軌式機(jī)械波3D打印機(jī)，機(jī)械臂臂展3.3米、滑軌長(zhǎng)度6米，可一次性打印成型長(zhǎng)度11米左右的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

圖2裝配式混凝土3D打印趙州橋

2. 3D打印辦公樓

由3D打印分會(huì)掛靠單位中建技術(shù)中心牽頭，中建機(jī)械、中建二局華南公司參與建造的“原位3D打印二層辦公樓”項(xiàng)目正在施工中，該辦公樓建筑面積230平方米，高7.2米，目前已完成一層墻體的打印施工，預(yù)計(jì)11月中旬打印完成。自主研發(fā)的原位3D打印設(shè)備采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和組裝，并可以根據(jù)建筑物的尺寸對(duì)架體進(jìn)行擴(kuò)展，設(shè)備包括主體框架和運(yùn)動(dòng)打印系統(tǒng)兩大部分，主體框架由導(dǎo)柱和頂部支撐組成，運(yùn)動(dòng)打印部分分為升降單元、水平移動(dòng)單元、打印頭單元和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成。

圖3 原位3D打印辦公樓（施工中）

3. 3D打印景觀構(gòu)件

與傳統(tǒng)采用模具制作混凝土景觀構(gòu)件相比，采用3D打印工藝在小批量制作異形、復(fù)雜、個(gè)性化混凝土景觀構(gòu)件具有很大的優(yōu)勢(shì)。近兩年來，隨著混凝土3D打印技術(shù)的發(fā)展，一大批具有創(chuàng)造性的混凝土3D打印景觀構(gòu)件產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，包括3D打印景觀牌匾、3D打印市政景觀小品、3D打印公共設(shè)施等不同的類型。

圖4 3D打印景觀匾牌

圖5 3D打印花壇

圖6 3D打印公園桌椅

目前，在世界范圍內(nèi)建筑3D打印行業(yè)還處于探索和培育階段，主要開展3D打印材料、設(shè)備等研發(fā)和小型構(gòu)件的打印試驗(yàn)，采用3D打印技術(shù)建造大型基礎(chǔ)設(shè)施和建筑的工程項(xiàng)目還很少，致力于建筑3D打印技術(shù)的企業(yè)數(shù)量和規(guī)模尚待增加。作為一個(gè)具有巨大發(fā)展前景的新興行業(yè)，建筑3D打印行業(yè)需要國家政策的大力支持、基礎(chǔ)研究的突破，也需要分會(huì)各成員單位的共同努力。 

四、國際建筑3D打印技術(shù)應(yīng)用新進(jìn)展

2014年-2017年之間，美國、歐洲率先開展了建筑3D打印技術(shù)應(yīng)用探索，利用多種類型的3D打印設(shè)備，陸續(xù)打印出大量景觀構(gòu)件、單層房屋等。近兩年來，建筑3D打印技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展逐漸由我國相關(guān)研究院所和企業(yè)引領(lǐng)，國際上大型3D打印建筑項(xiàng)目相關(guān)的報(bào)道較少。

據(jù)公開資料顯示，2019年10月，一座3D打印二層辦公樓在迪拜落成。這棟辦公樓高9.5米，總面積640平方米，混凝土墻體由一臺(tái)3D打印機(jī)打印預(yù)制而成。

丹麥Cobod International公司開發(fā)出了大型3D打印設(shè)備，可打印長(zhǎng)度27米、寬度12米，高度9米的建筑物，希望利用該設(shè)備實(shí)現(xiàn)樓房的原位打印，目前該設(shè)備尚未實(shí)施打印實(shí)際建筑試驗(yàn)。

雖然近兩年國際上建筑3D打印大型應(yīng)用項(xiàng)目較少，但美國、歐洲在3D打印設(shè)備、材料等方面的基礎(chǔ)研究仍較我國有一定優(yōu)勢(shì)，3D打印分會(huì)將會(huì)利用協(xié)會(huì)平臺(tái)，組織會(huì)員單位通過參加國際學(xué)術(shù)會(huì)議和前往國際優(yōu)秀設(shè)備和應(yīng)用企業(yè)調(diào)研交流，促進(jìn)我國建筑3D打印行業(yè)的快速發(fā)展。

五、建筑3D打印技術(shù)存在的問題及對(duì)策

3D打印機(jī)技術(shù)雖然是一個(gè)新技術(shù)，但是它在繼承傳統(tǒng)的3D打印機(jī)技術(shù)以及工藝的基礎(chǔ)上也有相應(yīng)新的要求。建筑3D打印雖然擁有廣闊的應(yīng)用前景，但目前在打印材料、打印方式、打印設(shè)備、結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計(jì)方法、施工工藝和標(biāo)準(zhǔn)體系等方面存在著一系列問題，建筑3D打印目前發(fā)展的主要任務(wù)是解決上以下幾個(gè)方面的問題。

（1）建筑3D打印相關(guān)軟件的開發(fā)

目前市場(chǎng)上還沒有針對(duì)3D打印的一種設(shè)計(jì)軟件，我們用的更多的是平面設(shè)計(jì)圖做平面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，施工圖，但是在設(shè)計(jì)的時(shí)候根本沒有考慮到材料的問題、工藝的問題以及結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分析方面的問題。在建筑打印的領(lǐng)域里，房子結(jié)構(gòu)往往是比較復(fù)雜的，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的或者做傳統(tǒng)的3D打印設(shè)備，當(dāng)模型的結(jié)構(gòu)程度非常復(fù)雜的時(shí)候，它的數(shù)據(jù)量非常龐大，大型建筑3D模型相比十幾公分、幾十公分3D模型的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)量大得多，所以如何能夠有效地解決這種大數(shù)據(jù)量的模型的設(shè)計(jì)和工作量，這是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。當(dāng)一個(gè)3D模型的數(shù)據(jù)量是幾百兆、上G的數(shù)據(jù)，普通的計(jì)算機(jī)很難承受得了，而且在運(yùn)算模擬的時(shí)候，在仿真的時(shí)候，在進(jìn)行運(yùn)力分析的時(shí)候往往會(huì)遇到很多的問題。

未來的3D打印混凝土可能是多種材料同時(shí)打印。它有鋼筋，有混凝土，還有管道、電路，這里面各種材質(zhì)的分布跟建筑是有機(jī)的整體，建筑3D打印就是將這些材料有機(jī)的、完美的整合在一起打印出一座建筑。這個(gè)領(lǐng)域里面可以借鑒機(jī)械工程方面方面的建模。在3D打印建筑里面它是有機(jī)的整體，不像傳統(tǒng)的制造里面結(jié)構(gòu)往往是分離的，而是有機(jī)的整體，所以如何能夠建立這種材料空間和結(jié)構(gòu)空間有機(jī)的對(duì)應(yīng)，我想這是在我們?cè)O(shè)計(jì)領(lǐng)域里面要克服的問題?；诂F(xiàn)在傳統(tǒng)的3D設(shè)計(jì)軟件支持現(xiàn)在建筑打印的模型，從單色到多色，從單材質(zhì)到多材質(zhì)的建模的過程，以及從這種最原始的平面的設(shè)計(jì)和工程的計(jì)算，到工程的自動(dòng)化的這樣的結(jié)構(gòu)分析。

（2）建筑3D打印技術(shù)的裝備的開發(fā)

現(xiàn)在3D打印的設(shè)備往往都是小設(shè)備，它不足以去實(shí)現(xiàn)大工程的建筑物的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，或者是相應(yīng)工藝的處理，必須要開發(fā)出專用的工藝設(shè)備。3D打印機(jī)的輸出尺寸越大，打印機(jī)本身就越大，那么打印機(jī)的噴頭活動(dòng)范圍要能夠覆蓋全幅的輸出尺寸，那么必然會(huì)大一圈。在三維打印領(lǐng)域，這意味著：如果打印住宅則打印機(jī)需要比你的住宅大一圈。機(jī)器越大越難制造，更重要的是機(jī)器越大，打印精度和打印速度就會(huì)越差。建筑3D打印機(jī)其實(shí)就是一種大型的數(shù)控機(jī)床，它的這種設(shè)計(jì)、制造及其工藝，對(duì)于機(jī)械的自動(dòng)化控制是很大的挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)大體量建筑物的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，必須要開發(fā)出專用的打印設(shè)備。這種大型的數(shù)控機(jī)床，它的設(shè)計(jì)、制造及其工藝對(duì)于3D打印業(yè)界來說是很大的挑戰(zhàn)。

另外還涉及到打印混凝土的輸送和擠出工藝，目前大多數(shù)混凝土采用直接拌和好的單組分材料進(jìn)行輸送和打印，材料的泵送相對(duì)簡(jiǎn)單。但在以后采用多種材料打印或者雙組分方式進(jìn)行打印的時(shí)候，所對(duì)應(yīng)的材料輸送方式或者擠出成型方式就得需要更為復(fù)雜的解決方案。

在未來建筑3D打印設(shè)備將和現(xiàn)有的施工機(jī)器結(jié)合，包括機(jī)器手等， 設(shè)計(jì)的模塊化組合，更靈活建筑施工方式等等。3D打印建筑裝備開發(fā)要摒除閉門造車，而要整合資源，分工合作，才能綜合現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)勢(shì)取得一定突破。

（3）3D打印混凝土關(guān)鍵技術(shù)研究

打印材料是建筑3D打印的核心技術(shù)，未來建筑3D打印的發(fā)展和突破是以打印材料的突破為基礎(chǔ)的。

目前采用的打印材料主要是以混凝土為基材，存在著抗拉強(qiáng)度低、抗裂性能差、韌性差、構(gòu)件易脆性破壞等問題。因此，尋找具有良好性能的打印材料是建筑3D打印當(dāng)前發(fā)展的關(guān)鍵。金屬粉末打印材料的主要問題是價(jià)格，目前市場(chǎng)上1kg的鈦合金打印材料價(jià)格在4000元以上，1kg的不銹鋼打印材料的價(jià)格在1000元左右。如果打印金屬節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件，其成本將非常巨大，價(jià)格因素是其推廣應(yīng)用的主要制約條件。

對(duì)于新材料應(yīng)用于3D打印適應(yīng)性的評(píng)估。隨著新材料的不斷發(fā)明及被引用至3D打印行業(yè)。首先應(yīng)對(duì)這些材料用于3D打印的適用性進(jìn)行定量定性的研究和評(píng)估，即材料的特性、力學(xué)性能指標(biāo)、物理性能指標(biāo)、化學(xué)性能指標(biāo)（耐腐性、耐久性、耐高溫、耐寒等）、顆粒大小、粉末顆?？煽扇苄?、熱學(xué)、光學(xué)等特征，這一系列材料的特性將成為達(dá)到3D打印產(chǎn)品所要求的機(jī)械性能，特征分辨率、加工精度和表面質(zhì)量的瓶頸。

現(xiàn)有的3D打印材料雖然較多，但適合建筑工程行業(yè)的材料仍然受到限制，另外現(xiàn)實(shí)中可用于建筑工程的某些金屬、氯氧鎂水泥等已有材料，比較昂貴且稀少，這跟相關(guān)配套的材料產(chǎn)能有很大關(guān)系，如果這種材料未被市場(chǎng)全面認(rèn)可和接受，則大范圍的市場(chǎng)化投產(chǎn)也是不可能的，所以材料的種類在未來很大一條路上仍然是3D打印應(yīng)用的一大障礙。對(duì)3D打印構(gòu)件的材料性質(zhì)、力學(xué)性能的研究：3D打印生產(chǎn)出的構(gòu)件是按層疊加的，其材料的組成和性能都不同于傳統(tǒng)加工成熟的構(gòu)件，因此還需要大量相應(yīng)的材性試驗(yàn)來獲取3D打印構(gòu)件的各項(xiàng)性能指標(biāo)、力學(xué)性能，例如材料的抗剪、抗彎、抗拉、抗扭、拉壓等特性。

（4）打印建筑的結(jié)構(gòu)體系及設(shè)計(jì)

3D打印材料與普通建筑材料的特性有所不同，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系不能直接套用在3D打印建筑上，應(yīng)研發(fā)與其材料特性、打印方式相匹配的，既能發(fā)揮3D打印優(yōu)勢(shì)，又能滿足結(jié)構(gòu)安全性要求的結(jié)構(gòu)體系。目前建造3D打印在工程施工中的應(yīng)用還屬于探索階段，沒有成熟的設(shè)計(jì)理論和方法可以借鑒。由于3D打印建筑與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)在材料性能和建造工藝上有較大區(qū)別，因此有必要在充分了解材料性能和構(gòu)件性能的基礎(chǔ)上研究適于3D打印建筑的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法。

對(duì)于3D打印的局部構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)的連接方式的研究：包括連接的方式、強(qiáng)度、延性，同時(shí)由構(gòu)件拼裝起來的主體結(jié)構(gòu)的整體抗震、抗風(fēng)，是否滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，還有耐沖擊及撞擊性也是無相應(yīng)試驗(yàn)參數(shù)來檢驗(yàn)。

（5）相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立

建筑3D打印技術(shù)作為一種全自動(dòng)的施工方法，與傳統(tǒng)的以人力為主的施工方法相比有諸多不同點(diǎn)，其在施工工藝方面需解決支撐、找平、配筋結(jié)構(gòu)裝飾一體化等問題。所以 3D打印建筑的打印材料標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范、施工規(guī)范、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等一系列的標(biāo)準(zhǔn)體系的制定是建筑3D打印技術(shù)在發(fā)展過程中逐步形成的，應(yīng)在市場(chǎng)的主導(dǎo)作用下，以企業(yè)為主體逐步發(fā)展完善。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)的順序來逐步建立，這也能更好的促進(jìn)行業(yè)的研發(fā)加速。

目前，3D打印建造還處于起步階段，在實(shí)體建造的相關(guān)基礎(chǔ)性研究和工程應(yīng)用中也略顯不足，但3D打印建造發(fā)展?jié)摿薮?，是目前建筑產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要突破口。因此，我們亟需明確其發(fā)展方向，理清其發(fā)展思路，制定其發(fā)展戰(zhàn)略。我國的3D打印建造發(fā)展應(yīng)體現(xiàn)國家意志，并與經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需求、可持續(xù)發(fā)展緊密結(jié)合，3D打印建造發(fā)展戰(zhàn)略應(yīng)體現(xiàn)全局性、戰(zhàn)略性以及前瞻性。3D打印建造的發(fā)展應(yīng)以促進(jìn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和確定我國在世界3D打印建造領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位作為戰(zhàn)略目標(biāo)，通過建立3D打印建造材料體系、3D打印建造設(shè)備體系、3D打印建造標(biāo)準(zhǔn)體系以及3D打印建造示范工程建設(shè)等措施推動(dòng)戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。