3D打印技术及其在超高层建筑应用的可行性分析

作者：左自波 黄玉林，张龙龙，等
来源：《建筑结构》杂志社

收集了国内外31个机构所采用的3D打印设备及工艺，分析了3D打印设备及工艺特点。基于统计分析结果，给出了3D打印在建筑工程中的分阶段应用技术路线，包括打印异形非承重结构、复杂模板及节点、轻质承重结构、异形房屋和异形建(构)筑物。以高层、超高层建筑为研究对象，介绍了爬升式和落地式造楼装备的结构原理，提出了3D打印设备发展的技术方案，即3D打印设备与现有造楼装备集成和开发新型3D打印设备；分析了3D打印技术在超高层建筑工程应用的可行性和挑战。

一3D打印及其在建筑工程应用技术

1.1 打印工艺统计
统计了国内外31个机构所采用的建筑3D打印工艺，主要包括材料挤出、粘合剂喷射(也称为三维打印(3DP))、直接能量沉积和熔融沉积(FDM)，如表1所示。

材料挤出是指通过3D打印设备的喷嘴选择性地挤出材料，如混凝土打印、轮廓工艺和数字施工平台；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，如D型工艺；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，如电弧熔丝；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。

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。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。

典型建筑3D打印材料力学性能如表2所示。

1.2 打印设备结构形式

建筑3D打印设备结构类型的统计如图1所示。由图1和表1可见，常用的打印设备类型包括龙门式、机械臂、桁架式和塔式4类，占比分别为25.8%、35.5%、35.5%和3.2%。根据是否可移动，设备分移动式和固定式2种；根据应用场地，设备可分为现场打印和室内打印2种。

▲ 图1  建筑3D打印设备结构形式统计

分析不同建筑3D打印设备的特点，如表3所示。

在适用范围方面，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。

在是否移动方面，龙门式一旦安装后不可移动；机械臂多数可移动，少数固定，不可移动；桁架式多数不可移动，少数可通过吊装重新设置基础进行安装；塔式通常自身不可移动，但可通过吊装进行移动。

在打印尺度和定位精度方面，桁架式由于自身结构灵活，适用于超大型结构的打印，定位精度适中；龙门式由于结构自重较大、灵活性较低，适用于大型结构的打印，由于刚度大所以定位精度极高；塔式由于受悬臂结构自重和挠度的限制，适用于中型结构的打印，定位精度低；机械臂由于灵活性高，适合小型结构的打印，也可增加导轨或定位机构实现大型结构的打印，定位精度较高。

1.3 工程应用技术
概括3D打印工程应用总体技术路线，如图2所示。

▲ 图2  3D打印工程应用总体技术路线

第1阶段，将3D打印应用于打印模板及节点和异形非承重结构：例如，通过打印复杂钢结构节点模具进行铸造，得到钢结构节点，也可直接打印钢结构节点(图3(a))[1-2]；通过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(图3(b))等异形非承重结构[3]的建造。

▲ 图3  3D打印节点和非承重结构

第2阶段，将3D打印应用于打印轻质承重结构：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(图4)；水平轻质构件包括轻质拓扑优化梁、轻质板等(图5)，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。

▲ 图4  3D打印竖向功能构件

▲ 图5  3D打印水平轻质构件

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、高层和超高层的3D打印的建(构)筑物，见图6。随着3D打印技术的发展，3D打印将从异形个性化建(构)筑物的打印建造向通用建(构)筑物的打印建造发展。

▲ 图6  3D打印的建(构)筑物

二、3D打印在超高层建筑中应用的可行性分析

2.1 现有多层、高层及超高层建筑3D打印设备技术方案
图7为现有多层、高层建筑的3D打印设备的技术方案。针对多层建筑物，可采用混凝土泵车式3D打印设备，该设备的伸展臂架为3D打印控制系统臂架，在臂架前端设置打印喷头，该类设备定位精度更高、对环境的适应性较好。

▲ 图7  多层、高层建筑的3D打印设备的技术方案

针对连续变截面中空式结构，可采用固定式3D打印设备，该设备包括打印装置和驱动导向装置，通过打印装置沿着驱动导向装置的提升作业，实现高度方向的扩展打印，适用于筒体结构施工且无需附着已打印结构。

针对高层建筑物，可采用塔式3D打印设备[17]，该设备是通过在自爬升式塔吊的基础上增加打印头等系统进行打印建造的；也可采用可扩展式3D打印设备，该设备通过三轴驱动导向装置和与其连接的打印装置，实现高度方向和水平方向上的扩展打印。

▲ 图8  高层建筑3D打印设备的技术方案

图9为现有超高层建筑3D打印设备的技术方案。针对超高层建筑物，可采用附着爬升式3D打印设备，该设备包括附着爬升系统和打印装置，通过打印预留孔洞或预埋构件作为附着爬升系统的支撑结构，完成爬升打印。

针对异形结构，可采用自爬升式3D打印设备，该设备包括打印装置、自适应扩展装置和导轨标准节提升装置，通过控制打印头在环形平面内的移动进行打印，通过提升装置吊装导轨标准节，实现打印装置在标准节上移动，扩展打印范围。

▲ 图9  超高层建筑3D打印设备的技术方案

2.2 可与现有造楼装备集成的3D打印设备技术方案

图10为现有高层、超高层建筑施工造楼装备的基本原理。通过造楼装备可实现施工环境从高空作业向陆地施工转变。

▲ 图10  现有高层、超高层建筑造楼装备的基本原理

针对高200m以上的建筑，建议采用爬升式造楼装备(也称为整体爬升钢平台模架装备或造楼机)，该装备主要包括施工平台、爬升系统、支撑系统、模板系统、塔吊和布料机等。

针对高200m及以下的建筑，建议采用落地式造楼装备(也称为空中造楼机)，该装备主要包括施工平台、爬升系统、支撑系统、模板系统、吊装系统和布料系统等。

目前，爬升式造楼装备的模板开合和混凝土布料尚未实现自动化，落地式造楼装备模板自动开合和混凝土自动布料处于试验阶段，两种装备的绑扎钢筋均为人工完成。

综合现有建筑3D打印设备结构统计分析结果，优先选择与造楼装备集成的打印设备类型为机械臂和塔式，其次是桁架，最后是龙门式。

针对爬升式造楼装备，可将布料机替换为塔式3D打印设备，也可将布料机替换为机械臂3D打印设备(图11)，通过连接装置将带有柔性导轨的机械臂3D打印设备与造楼装备集成，不需要模板系统。

▲ 图11  集成造楼装备示意图

针对落地式造楼装备，可将布料系统改造为龙门式3D打印设备，不需要模板系统。在结构方面，将现有3D打印设备与造楼装备集成，需通过连接装置(图12)连接；在控制系统方面，需要进行坐标位置的初始化，从而实现与打印控制系统的集成。

▲ 图12  3D打印连接装置

2.3 新型超高层3D打印设备技术方案

基于1.1节建筑3D打印设备的调研分析，提出了一些新型超高层建筑3D打印设备的技术方案，如图13所示。

▲ 图13  新型超高层3D打印设备的技术方案

针对现有附着爬升式3D打印设备不适用于设备框架外部结构(框架柱、楼板)打印的问题，提出了一种交替爬升式3D打印设备，见图13(a)。

该设备包括导轨组件、打印装置和提升系统，其应用中，首先，通过打印装置同步打印超高层建筑的核心筒和外框架；其次，使用提升系统吊装钢梁和压型钢板作为支撑，进行楼层板的打印；最后，通过提升系统提升导轨组件进行交替爬升，以拓展打印范围。针对现有3D打印设备多数安置于工厂中且无法移动问题，提出了一种集装箱式现场3D打印设备，见图13(b)。

该设备可移动、可自动布设钢筋，包括移动集装箱、连接机构、打印机构、布筋机构等。针对现有塔式3D打印设备存在定位和打印精度不可控的问题，提出了一种动态平衡塔式3D打印设备，见图13(c)。

该设备包括门架、吊臂架、平衡臂架、标准配重组件和液体循环平衡组件，该设备在打印过程中，可根据打印头移动速度控制流入、流出流量，使吊臂架和平衡臂架的力矩维持动态平衡，实现高精度定位和打印建造。

上述3种设备具有各自的适用范围，交替爬升式3D打印设备用于高层、超高层建筑的打印，集装箱式现场3D打印设备、动态平衡塔式3D打印设备均可与造楼装备集成。

2.4 工程应用可行性分析
针对现有超高层建筑结构体系，采用现有3D打印设备工艺及材料，在工程中可实现复杂节点、异形模板以及装饰及景观等非承重结构的打印。研发了集装箱式现场3D打印设备(图14)，可与爬升式造楼装备集成。

▲ 图14  集装箱式现场3D打印设备实物图

3D打印设备与造楼装备协同作业的工艺为：

造楼装备施工一定高度的核心筒结构后，通过集成于造楼装备上的塔吊吊装3D打印设备至已施工的核心筒结构内部；通过3D打印设备打印核心筒的二次结构；对核心筒二次结构进行安装。

该工艺解决了采用现有超高层造楼装备在二次结构施工中存在高空作业的问题，同时可为机电、电梯等墙体二次结构的自动化施工提供新思路。此外，还可将3D打印技术应用于造楼装备的核心筒预留孔洞封堵件、导轨垫块的打印等。

总体而言，尽管未来3D打印技术在超高层建筑的建造方面具有广阔的前景，但以下方面还需深入研究：

(1)3D打印建筑结构研究。有必要打破传统钢筋+混凝土、钢结构建筑结构设计理念方法，开展适合3D打印的拓扑优化结构、功能结构和低层、多层、高层及超高层新型建筑结构研究，以及相应的设计、打印建造等一体化的标准体系研究。

(2)3D打印设备工艺及配套技术研究。有必要开展全过程整体3D打印工艺研究，如水平结构、地下结构、一体化结构、拆除改造、多尺度结构、多材料结构等打印设备工艺；有必要开展适合超高层建造的打印材料及输送技术研究；有必要开展打印质量检测和调控技术研究；有必要开展打印设备与超高层建筑造楼装备协同控制技术研究。

参考文献
[1] WANG L X,DU W F,HE P F,et al.Topology optimization and 3D printing of three-branch joints in treelike structures[J].Journal of Structural Engineering,2020,146(1):04019167.

[2] BUCHANAN C, GARDNER L. Metal 3D printing in construction:a review of methods,research,applications,opportunities and challenges[J].Engineering Structures,2019,180:332-348.

[3] NABONI R,KUNIC A,BRESEGHELLO L.Computational design,engineering and manufacturing of a material-efficient 3D printed lattice structure[J].International Journal of Architectural Computing,2020,18(4)：404-423.

[4] 周林,杜彩霞,张鹏,等.3D打印混凝土的各向抗压性能研究[J].建筑结构,2022,52(6):85-89，75.

[5] IZARD J B,DUBOR A,HERVé P E,et al.Large-scale 3D printing with cable-driven parallel robots[J].Construction Robotics,2017,1:69-76.

[6] KEATING S J,LELAND J C,CAI L,et al.Toward site-specific and self-sufficient robotic fabrication on architectural scales[J].Science Robotics,2017,2(5):eaam8986.

[7] ANTON A,REITER L,WANGLER T,et al.A 3D concrete printing prefabrication platform for bespoke columns[J].Automation in Construction,2021,122:103467.

[8] DE SCHUTTER S,LESAGE K,MECHTCHERINE V,et al.Vision of 3D printing with concrete—technical,economic and environmental potentials[J].Cement and Concrete Research,2018,112:25-36.

[9] SALET T A M,AHMED Z Y,BOS F P,et al.Design of a 3D printed concrete bridge by testing[J].Virtual and Physical Prototyping,2018,13(3):222-236.

[10] VANTYGHEM G,DE CORTE W,SHAKOUR E,et al.3D printing of a post-tensioned concrete girder designed by topology optimization[J].Automation in Construction,2020,112:103084.

[11] 陈晓明,陆承麟,龚明,等.超大尺度高分子复合材料3D打印技术研发与应用[J].施工技术(中英文),2021,50(21):41-45，63.

[12] FELDMANN M,KüHNE R,CITARELLI S,et al.3D-Drucken im Stahlbau mit dem automatisierten Wire Arc Additive Manufacturing [J].Stahlbau,2019,88(3):203-213.

[13] WU H,LIEW A,VAN MELE T,et al.Analysis and optimisation of a rib-stiffened vaulted floor for dynamic performance[J].Engineering Structures,2020,213:110577.

[14] LOWKE D,DINI E,PERROT A,et al.Particle-bed 3D printing in concrete construction-possibilities and challenges [J].Cement and Concrete Research,2018,112:50-65.

[15] Soon to be constructed:world’s first 3D printed high-rise building[EB/OL].[2021.12.14].https://www.adgeco.com/soon-cons ... high-rise-building.

[16] MECHTCHERINE V,NERELLA V N,WILL F,et al.Large-scale digital concrete construction-CONPrint3D concept for on-site,monolithic 3D-printing[J].Automation in Construction,2019,107:102933.

[17] 廖选茂,戴立先,马义俊,等.一种塔式3D打印机及其打印方法：CN103786235A [P].2016-01-27.


作者简介

左自波，高级工程师。现任上海建工集团工程研究总院数字化建造研究室主任，上海市科技专家库专家，上海市建筑学会数字建筑分会委员，上海市增材制造协会专家委员会委员，同济大学校外导师，上海理工大学硕士生导师，国际电气电子工程师学会(IEEE)会员，JOM等SCI期刊审稿人。长期从事3D打印、三维扫描和智能控制等数字化建造技术研究与应用，致力于让工程建造更简单、更舒适、更经济、更安全、更高效。牵头或参与了上海建工3D打印科技试验楼等30余项工程的建设或策划。主持或参与完成国家级及上海市科研项目10余项。获授权专利100余项；在Nature子刊Nature Reviews Materials等期刊发表论文30余篇；主参编专著5部，参编标准2部。受邀参加国内外学术会议并作报告10余次。曾入选上海市科技启明星计划、飞翔计划。