“3D打印”建筑未來綠色新居

3D打印技術賦予建筑行業新的生命力，人類憑此或許能在不久的將來就把居所拓展到月亮之上。

從地穴到茅屋，從木構到磚石，從混凝土到鋼結構，人類建造自己居所的歷史已有數千年之久，取得了令人矚目的輝煌成就。然而，由于建造工具、技術和材料等因素的限制，傳統的建筑工藝施工周期長、作業場所占用空間大、建筑材料繁多、作業機械復雜，不僅給環境帶來了較為嚴重的破壞，還大大浪費了人力資源和社會資源。3D打印建筑技術基于計算機輔助數字化設計，將設計師、建筑師和工程師的工作與計算機應用融合為一，其誕生和發展引領了建筑業在工藝、設備和材料上的創新浪潮，為建筑行業的未來發展帶來了新的希望，預示著一場建筑行業顛覆性革命的到來。

一場“打印”的建筑革命

3D打印技術，亦稱增材制造技術，其運用CAD創建三維數據模型，通過軟件將模型先分解為若干個二維的切片，然后根據預先規劃的移動路徑，通過噴嘴將材料按切片形狀逐層堆積，最終形成3D物件成品。該技術于20世紀80年代起源于美國，并迅速在航空航天、醫療、電子工業、食品制造和零部件加工工業等領域推廣普及，取得了良好的經濟、技術效益。

建筑行業也受到啟發，2004年，美國南加州大學借鑒3D打印技術發明了建筑輪廓成型技術，即先打印成型建筑的輪廓，再將纖維材料填充到輪廓內部，制造了首個實體建筑部件，宣告了3D打印建筑的誕生。2013年，荷蘭的簡加普·魯基森納斯和D型3D建筑打印機的創始人恩里科·迪尼共同設計，并使用其3D打印機建造了世界上首個整體3D打印建筑Landscape House，由此掀起3D打印建筑發展的熱潮。

基于其獨特的制造過程，3D打印建筑技術相比于傳統的建筑方式具有顯著的優勢。3D打印的一體化集成施工以及計算機控制的擠出鋪層作業模式，使建造速度提高10倍以上，且能夠24小時不間斷作業。廣東一棟利用3D打印的230平方米小樓不到60小時就完成建造，建設周期大幅度縮減。數字化自動控制實現材料精準供應，減少了材料浪費，工藝簡化不僅削減了模板等輔助工具的使用，同時減少了作業人員，使得建筑成本顯著降低。

3D打印突破了傳統建筑工藝的限制，更加適合仿生形態和異形結構等復雜幾何形狀的建筑，對于傳統建筑技術難以駕馭的特殊結構，如具有獨特的圓頂與肋狀結構設計的意大利Tecla House，3D打印可以輕松應對，其在建筑的藝術性和施工的技術性之間建起了橋梁，為建筑師提供了更為廣闊的創作空間。3D打印建筑能夠選擇建筑垃圾、工業廢渣等材料，實現廢料可回收利用，減少資源開采，更加低碳環保。

3D打印建筑技術正憑借其獨特優勢，引領建筑行業邁向新的發展階段。從溫馨舒適的住宅小屋到精巧實用的基礎設施，從別具一格的文化場館到充滿創意的商業空間，3D打印技術宛如一顆璀璨的新星，在建筑領域的多元場景中展現出強大生命力。

美國Apis Cor公司通過3D打印為迪拜市政府完成了一座高9.5米、總面積640平方米的兩層行政大樓。其打印機通過起重機在施工現場移動，只需要一臺機器和3個工人配合，通過使用Apis Cor公司研發的類石膏混合物速干材料，克服了迪拜復雜惡劣的氣候條件，在露天環境下，完成了空心墻壁的3D打印。

ICD/ITKE團隊基于仿生設計理念，借鑒甲蟲鞘翅結構，運用兩個大型同步3D打印設備KUKA，將玻璃和碳纖維打印纏繞于薄質鋼框架上，再以小型柱狀結構連接實現了雙層模塊化建筑。這種基于纖維復合材料通過機器人無分段3D打印建造復雜藝術建筑的方式，不僅實現了建筑結構的輕巧堅固，更做到了設計與建造的無縫銜接，精準呈現了建筑師創意。

在基礎設施建設領域，2017年，世界首座3D打印混凝土自行車橋在荷蘭蓋默特地區落成，隨后，北荷蘭又涌現出多座跨度9～12米、造型各異的3D打印橋梁，這些橋梁依托3D打印技術，實現復雜造型的精準構建，為橋梁建設注入創新活力。盈創科技在蘇申外港線（江蘇段）航道利用3D打印混凝土技術建造了二級護岸，其護坡整體呈梯形，墻體上設計有生態孔洞，可以滿足水生物棲息，實現了護岸與河道的有機結合，極大地減少了現場工程量以及對河岸生態的影響。盈創科技還利用3D打印混凝土技術建造了凹面設計的高速公路噪聲隔離墻，可以極大地消減噪聲，展現該技術在基礎設施領域的巨大潛力。

2024年，全球單體面積最大的3D打印美術館在浙江桐鄉落成，其集藝術展覽、創意工坊、學術交流和文化體驗等多種功能于一體，整體由錯落有致排列的管道結構組成，具有濃厚的藝術氣息。建造過程中，研發團隊針對不同溫濕度環境對材料進行優化，在規模化生產中實現尺寸誤差毫米級控制，采用主體結構與保溫層同步打印的技術，展現了藝術與技術的完美結合。

2024年在浙江桐鄉落成的美術館是全球單體面積最大的3D打印建筑

浙江大學聯合靈砼科技等公司產研協作在河北故城共同完成了一座 3D打印新中式民居，房屋、院墻、廊柱、庭院景觀等構件都基于高精度數字技術由綠色固廢低碳混凝土層層堆疊構建而成，其中的空心墻體填充保溫材料實現冬暖夏涼的同時保證抗震抗災，數字化設計的3D打印混凝土墻面，自帶藝術花紋和浮雕效果。

待解之困與創新突破

經過多年的發展，3D打印建筑技術取得了巨大成就，但其在大規模推廣應用中，仍存在諸多亟待解決的技術難題。

3D打印建筑需先通過設計軟件完成模型構建，再經自動化程序控制完成施工作業。然而，目前的軟件在可操作性、控制軟件與現有三維實體設計軟件的交互性、切片與路徑規劃的精確度、與硬件設備兼容性、多樣工藝的適應性方面仍有較大的改進空間。

3D打印機是施工作業的執行載體，在面對大型、超大型建筑和高層建筑時，現有的設備難以滿足相關規模和高度需求。3D打印機與相關配套設備，如材料輸送系統、運動控制系統等的協同配合以及復雜作業場景的設備間的通用性問題等仍需改進。針對不同打印材料和建筑設計要求，當前設備在材料兼容性和精度控制上仍有較大提升空間，難以滿足多樣化打印需求。

混凝土是目前3D打印建筑使用較為普遍的材料，但傳統混凝土材料無法滿足3D打印工藝對力學性能、保溫隔熱性、工作性能等多方面的嚴苛要求，在生產和處理過程中存在高能耗、高污染等問題，低碳環保的材料研發進度滯后。此外，對于高強度、防火防水、特殊工藝造型等特殊性能需求，也需要針對性地開發新的材料。

3D打印建筑的成型工藝中，鋪層邏輯、工藝參數、路徑規劃等控制策略對建筑質量和效率具有決定性影響，當前尚無成熟的通用方案。3D打印的層疊工藝對層間粘合強度提出更高要求，需結合材料和工藝進行研究改進。同時，3D打印建筑的表面較為粗糙，二次裝修會增加成本與工期。隨著建筑層高增加，無配筋結構難以保障安全，但如何在3D打印建筑中合理配筋尚無成熟方案。

通過創新攻克技術難關，是實現3D打印建筑廣泛應用與長遠發展的關鍵所在，行業正在迎難而上。在控制軟件方面，同濟大學袁烽教授團隊自主研發的FURobot機器人控制軟件，支持對多品牌機器人，甚至自定義機器人的控制，具有對復雜形體的自適應多角度切片、智能路徑規劃填充、離線打印程序生成以及實時通訊、機器人虛擬仿真、軸關節優化控制等功能，具有較高的通用性。此外，還有德國的KUKA、以及英國的HAL等，具有強大的功能和廣泛的應用實踐，且在持續改進升級。

在設備技術方面，中國盈創的門式可移動立柱式大型打印設備，采用高精度三軸智能協同運動控制系統，能夠根據建筑結構的特點，靈活調整支撐系統的布置。中建八局公開了一種多軸3D打印機器人，在機架上設置機械臂和打印頭，實現高集成化，并結合智能控制技術，實現自主避障和打印。Apis Cor的自主移動設備具備8.5米的工作半徑和靈活的移動能力。中建鋼構提出一種塔式3D打印機，將打印系統固定在傳統的塔吊上，使得3D打印建筑突破高度限制。此外，通過多臺設備的智能協作突破空間限制，以及提高設備的智能化水平實現更高程度的自主施工也是重點研究方向。

在材料技術方面，對傳統混凝土材料進行改進，例如在硫鋁酸鹽水泥基材中選擇合適的促凝劑和緩凝劑，結合配比可以靈活控制緩凝時間和硬化速度，以適應不同的溫濕度環境。為廢棄物回收利用，我國高校研究人員將氧化石墨烯加入利用建筑垃圾和礦物廢物等的地聚合物中，通過改變其流動性使地聚合物材料能更好地用于3D打印建筑。信陽學院對以礦山廢渣石和稻草麥秸稈為基材的3D打印建筑構件進行研究。此外，材料研究還涉及將纖維材料、金屬材料、感光性樹脂等與其他主要材料融合，以及以自適應溫控、自修復等為特性的智能材料的開發應用。

在工藝技術方面，ICON的Vulcan系統將打印速度提升至2000mm/s，得益于獨創的溫度補償系統和材料性能調節技術，能在2～43℃的極端溫度和20～95%的濕度范圍內穩定運行。上海應用技術大學通過監測系統打印的狀態參數，并基于環境因素適時調整工藝參數，保證層間粘結力；同時將實時參數保存錄入迭代學習以完善云端數據庫內參數，進一步發揮3D打印的智能化優勢，同時通過智能風險預警規避施工中可能發生的風險。

ICD/ITKE團隊借鑒甲蟲鞘翅結構，通過3D打印，精準呈現了建筑師創意。

西安交通大學公開的復雜建筑構件3D打印軌跡規劃方法，在保證一定填充率的基礎上規劃出一條不交叉、連續且平滑的軌跡，并且提高效率減少冗余路徑。中國十七冶集團公開了一種3D打印混凝土豎向構件配筋方法及其配筋系統，將鋼筋骨架采用分段方式制成，打印前處于分離狀態，打印時可組裝成封閉狀態，解決了打印路徑和配筋無法協同完成的問題。

3D打印技術正以多元創新的姿態，重塑建筑行業的建造模式、設計理念與成本結構，為建筑領域的未來發展開辟廣闊前景。

月亮之上

在3D打印建筑技術發展成熟、全自動化建造技術的輔助下，利用來自月球的材料建造棲息地成為研究的熱點。2013年，英國福斯特建筑事務所與歐洲航天局合作，以模塊化管道組成結構基底支撐充氣式圓頂，將模擬月壤通過D-Shape 3D打印機在圓頂上沉積一層類似泡沫的輕質結構，最終建成了月球房屋的模型。2025年，NASA提出MMPACT項目，主要使用模擬的月球和火星土壤配合水等粘合劑進行混合，致力于研究如何通過機器人3D打印技術，使用當地材料建造基礎設施，如居住艙、著陸平臺和輻射防護層等。

美國ICON公司還研發了“奧林匹斯”（Olympus）建筑系統，采用“激光玻璃多材料轉化”技術，利用高能激光將風化層熔融成類似陶瓷的高強度結構。2025年2月，ICON還在藍色起源公司的亞軌道火箭上進行了模擬月壤的測試，將其行為特性與阿波羅任務中帶回的真實月壤進行對比，以驗證技術可行性。

我國在月球基地建設研究方面提出了獨特的“月壺尊”方案，其形如豎立的雞蛋殼，內部空間分層設計，上層為休息區，下層為工作區。丁烈云團隊發明了形似蜘蛛的“月蜘蛛”機器人，創新地將3D打印和機械臂拼接兩種方案融合，上半部分為混聯機械臂，下半部分是多足移動平臺，施工時可根據需要將機械臂更換為3D打印機，能依據設計要求完成多樣化作業。在建造工藝上，團隊還提出月球玄武基地構想，把中國傳統的制磚砌筑工藝與3D打印技術有機結合，首先通過聚焦太陽光線實現1400～1500℃高溫熔化月壤，通過3D打印成不同規格、具有榫卯結構的磚塊，再采用整體預制拼裝、局部打印連接的方式打造月面基地。

目前，科研人員正在空間站中對磚塊的關鍵性能展開測試，包括極端環境下力學性能是否退化、熱學性能能否適應月球環境，以及在強宇宙輻射條件下的抗輻射性能與耐久性能等。若進展順利，隨著“嫦娥八號”任務在2028年前后發射，中國有望成為首個實現月球表面原位建造建筑物的國家，成功跨越從“到訪月球”到“定居月球”的重大歷史階段，人類也將得以入住由中國技術建造的月球首座永久性建筑。

隨著創新的持續深入和應用場景的不斷拓展，3D打印建筑技術將推動建筑行業向更加高效、智能、綠色、個性化的方向發展，在建筑工業化、數字化、智能化產業升級過程中發揮更為關鍵的作用，我們也將一起見證3D打印技術在建筑領域創造更多的奇跡，帶動人類的居住空間邁向綠色低碳的美好明天。

（文章來源：《創意世界》2026年3月號）

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編校：苑寶平