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].3 建筑 3D 打印的发展思考
建筑 3D 打印虽然拥有广阔的应用前景，但目前还处于探索阶段，在打印材料、打印方式、打印设备、设计方法、施工工艺和标准体系等方面存在着一系列问题，建筑 3D 打印目前发展的主要任务是解决上述问题。
3. 1 打印材料
打印材料是建筑 3D 打印的核心技术，未来建筑 3D 打印的发展和突破是以打印材料的突破为基础的。
目前采用的打印材料主要是以混凝土为基材，存在着抗拉强度低、抗裂性能差、韧性差、构件易脆性破坏等问题。因此，寻找具有良好性能的打印材料是建筑 3D 打印当前发展的关键。
金属粉末打印材料的主要问题是价格，目前市场上 1kg 的钛合金打印材料价格在 4 000 元以上，1kg 的不锈钢打印材料的价格在 1 000 元左右。如果打印金属节点和构件，其成本将非常巨大，价格因素是其推广应用的主要制约条件。
3. 2 打印方式
目前建筑 3D 打印采用的打印方式还局限于传统的打印方式。“轮廓工艺”和盈创采用的打印方式类似于 FDM 技术（ 熔积成型技术） ,通过“挤出”半凝固的打印材料来构建物体，但是这种打印方式存在一个矛盾的问题，一方面需要打印材料迅速形成强度，在打印过程中上层材料的堆积会对下层材料形成压力，如果打印材料在短时间内没有形成足够的强度，就会在压力作用下产生变形； 另一方面，如果打印材料迅速“固化”,则两层打印材料之间的层间黏结性能就比较差，形成构件的一个薄弱环节。“D-shape”采用的打印方式类似于 SLS 技术（ 选择性激光烧结技术） ,首先铺设层状粉末（ 砂子） ,再将粉末黏结构成构件，但是这种打印方式的问题是打印速度较慢，不适于像建筑之类的巨型构件。因此，建筑 3D 打印的打印方式还需要跳出已有思维方式的束缚，还需进一步探索更适于建筑建造特点的打印方式。
3. 3 打印设备
目前建筑 3D 打印设备主要是采用轨道式，这种方式的特点是结构简单稳定，打印精度高，但不适于现场作用。在建筑 3D 打印的发展初期，主要是针对农村地区住宅和别墅等多层住宅，需要现场作业，这就需要开发集运输、搅拌、打印、吊装等多种功能于一体的打印设备。打印设备能够运输纤维材料和外加剂到达打印场地，并携带部分现场不能打印或打印难度较大的预制构件。主要的打印材料如水泥、砂子、水等由业主自备，打印设备按特定的配合比对原材料进行配制和搅拌。然后打印设备按设计要求现场打印墙柱构件，并按照设计要求调整打印墙体的宽度，同时打印设备还可在打印过程中对墙体进行抹平等处理。打印完 1 层墙体后，打印设备可对打印机械进行调整，使其能够吊装预制的楼板、梁等构件。吊装完成后又可进行下一层构件的打印。
3. 4 设计方法
目前建造 3D 打印在工程施工中的应用还属于探索阶段，没有成熟的设计理论和方法可以借鉴。
由于 3D 打印建筑与传统的钢筋混凝土结构、砌体结构在材料性能和建造工艺上有较大区别，因此需要在充分了解材料性能和构件性能的基础上研究适于 3D 打印建筑的设计理论和设计方法[14].
3. 5 施工工艺
建筑 3D 打印技术作为一种全自动的施工方法，与传统的以人力为主的施工方法相比有诸多不同点，其在施工工艺方面需解决支撑、找平、配筋结构装饰一体化等问题。
3. 6 标准体系
3D 打印建筑的打印材料标准、设计规范、施工规范、验收标准等一系列的标准体系的制定是建筑3D 打印技术在发展过程中逐步形成的，应在市场的主导作用下，以企业为主体逐步发展完善。标准体系应按照企业标准、行业标准、国家标准的顺序来逐步推进。
4 建筑 3D 打印的前景
建筑 3D 打印的应用领域广泛，从长远发展来看，可以采用从简单到复杂、从主业到旁枝的发展策略，近期到远期目标具体如下。
4. 1 GRC,SRC 等高档建筑装饰构件
GRC,SRC 等高档建筑装饰构件造型复杂，利用传统的制造方式成本较高。建筑 3D 打印由于不需要磨具，可以直接打印异形复杂的装饰构件，可以充分发挥其技术特点，快速打印高档的建筑装饰构件，为建筑 3D 打印的推广奠定基础。
4. 2 雕塑小品
公园和社区公共区域常摆放一些雕塑小品，这些作品往往设计大胆，外形新颖，充满创意，但从建造的角度来说，是非常困难的，一方面建造成本高，另一方面在建造过程中会丢失部分信息，无法做到与设计完全一样。建筑 3D 打印可以实现异形构件的打印，既降低成本，又可以实现设计信息的无损传递，使最终的产品做到与设计模型完全一致。 4. 3 别墅
在建筑 3D 打印的发展初期，材料成本和技术成本还相对较高的情况下，别墅的 3D 打印是其发展的一个主要方向。别墅主要注重外形及品质，较少考虑成本，可充分利用建筑 3D 打印技术的特点，打印造型奇特和复杂的别墅，并在别墅打印过程中不断改进技术、降低成本，推动其进一步发展。
4. 4 农村住宅
在建筑 3D 打印的发展中期，农村住宅的 3D 打印是其发展的一个主要方向。农村住宅多为 2 ~ 3层的多层住宅，多为农民自建住宅，不仅成本高，而且设计施工不规范，抵抗地震等灾害的能力较差。
如果建筑 3D 打印能够做到降低成本，采用规范的设计和施工标准，则能在农村地区得到迅速推广，这对我国的新型城镇化建设和农村地区发展会起到不可估量的作用。
4. 5 经济适用房和廉租房
在建筑 3D 打印的发展中后期，在技术相对成熟的情况下，可以利用建筑 3D 打印速度快、性能优越的特点，修建以经济适用房和廉租房为主的多层住宅，短时间内可以建造大量的低成本房屋，改善低收入人口的居住条件。
4. 6 高层住宅
在建筑 3D 打印发展后期，在打印材料性能优良，能满足高层建筑抗震、抗风等要求的情况下，可以开发适于高层建筑的打印设备，实现对高层建筑的 3D 打印。这是建筑 3D 打印发展的长远目标。
4. 7 抗震救灾紧急用房
利用建筑 3D 打印的快速建造优势，可在地震、台风、泥石流、海啸等自然灾害后快速进行灾后安置工作，可在最短的时间内将受灾群众进行妥善安置。由于灾害重建速度跟不上，汶川地震一年多以后，仍有灾民住在帐篷内，严重影响其生活。如果利用建筑 3D 打印技术，既可以利用灾后的大量建筑垃圾，又可以在短时间内修建起大量的灾后用房，提高灾民的生活品质，快速进行灾后重建工作。
4. 8 防风固沙
草方格治沙是国际公认的防风固沙的效果非常好的办法，但是人工铺设速度慢，成本高，无法大面积推广。可以利用建筑 3D 打印技术，以草为打印材料，可实现草方格铺设的自动化，使其在沙漠环境中大规模应用。
4. 9 太空基地
如果未来人类要在月球上建造栖息地，可以将建筑 3D 打印设备运送到太空基地，直接利用外星球表层的土壤作为主要的打印材料，从地球运送少量建筑材料即可。建筑 3D 打印技术可以更快速环保地在外太空批量建造适合人类居住的建筑。
参考文献：
[1] 杨伟终。 对我国新型城镇化建设发展战略的思考[J]. 科技创业月刊，2015（ 6） : 30-31. [2] 陈立，陈胜迁。 3D 打印---未来制造业的新模式[J]. 轻工科技，2013（ 9） : 66-67,110. [3] 石世英。 重庆市建筑垃圾资源化促进机制研究[D]. 重庆： 重庆大学，2013. [4] 戴国琴。 建筑业劳动力未来供给趋势及影响因素研究[D].杭州： 浙江大学，2013. [5] 张庆奎。 试论我国建筑节能潜力巨大[J]. 建筑节能，2007（ 10） : 58-60. [6] 张晓光。 基于3D 打印时代的建筑技术发展研究[J]. 河南科技，2014（ 20） : 162-163.