“3D打印”建筑未来绿色新居

3D打印技术赋予建筑行业新的生命力，人类凭此或许能在不久的将来就把居所拓展到月亮之上。

从地穴到茅屋，从木构到砖石，从混凝土到钢结构，人类建造自己居所的历史已有数千年之久，取得了令人瞩目的辉煌成就。然而，由于建造工具、技术和材料等因素的限制，传统的建筑工艺施工周期长、作业场所占用空间大、建筑材料繁多、作业机械复杂，不仅给环境带来了较为严重的破坏，还大大浪费了人力资源和社会资源。3D打印建筑技术基于计算机辅助数字化设计，将设计师、建筑师和工程师的工作与计算机应用融合为一，其诞生和发展引领了建筑业在工艺、设备和材料上的创新浪潮，为建筑行业的未来发展带来了新的希望，预示着一场建筑行业颠覆性革命的到来。

一场“打印”的建筑革命

3D打印技术，亦称增材制造技术，其运用CAD创建三维数据模型，通过软件将模型先分解为若干个二维的切片，然后根据预先规划的移动路径，通过喷嘴将材料按切片形状逐层堆积，最终形成3D物件成品。该技术于20世纪80年代起源于美国，并迅速在航空航天、医疗、电子工业、食品制造和零部件加工工业等领域推广普及，取得了良好的经济、技术效益。

建筑行业也受到启发，2004年，美国南加州大学借鉴3D打印技术发明了建筑轮廓成型技术，即先打印成型建筑的轮廓，再将纤维材料填充到轮廓内部，制造了首个实体建筑部件，宣告了3D打印建筑的诞生。2013年，荷兰的简加普·鲁基森纳斯和D型3D建筑打印机的创始人恩里科·迪尼共同设计，并使用其3D打印机建造了世界上首个整体3D打印建筑Landscape House，由此掀起3D打印建筑发展的热潮。

基于其独特的制造过程，3D打印建筑技术相比于传统的建筑方式具有显著的优势。3D打印的一体化集成施工以及计算机控制的挤出铺层作业模式，使建造速度提高10倍以上，且能够24小时不间断作业。广东一栋利用3D打印的230平方米小楼不到60小时就完成建造，建设周期大幅度缩减。数字化自动控制实现材料精准供应，减少了材料浪费，工艺简化不仅削减了模板等辅助工具的使用，同时减少了作业人员，使得建筑成本显著降低。

3D打印突破了传统建筑工艺的限制，更加适合仿生形态和异形结构等复杂几何形状的建筑，对于传统建筑技术难以驾驭的特殊结构，如具有独特的圆顶与肋状结构设计的意大利Tecla House，3D打印可以轻松应对，其在建筑的艺术性和施工的技术性之间建起了桥梁，为建筑师提供了更为广阔的创作空间。3D打印建筑能够选择建筑垃圾、工业废渣等材料，实现废料可回收利用，减少资源开采，更加低碳环保。

3D打印建筑技术正凭借其独特优势，引领建筑行业迈向新的发展阶段。从温馨舒适的住宅小屋到精巧实用的基础设施，从别具一格的文化场馆到充满创意的商业空间，3D打印技术宛如一颗璀璨的新星，在建筑领域的多元场景中展现出强大生命力。

美国Apis Cor公司通过3D打印为迪拜市政府完成了一座高9.5米、总面积640平方米的两层行政大楼。其打印机通过起重机在施工现场移动，只需要一台机器和3个工人配合，通过使用Apis Cor公司研发的类石膏混合物速干材料，克服了迪拜复杂恶劣的气候条件，在露天环境下，完成了空心墙壁的3D打印。

ICD/ITKE团队基于仿生设计理念，借鉴甲虫鞘翅结构，运用两个大型同步3D打印设备KUKA，将玻璃和碳纤维打印缠绕于薄质钢框架上，再以小型柱状结构连接实现了双层模块化建筑。这种基于纤维复合材料通过机器人无分段3D打印建造复杂艺术建筑的方式，不仅实现了建筑结构的轻巧坚固，更做到了设计与建造的无缝衔接，精准呈现了建筑师创意。

在基础设施建设领域，2017年，世界首座3D打印混凝土自行车桥在荷兰盖默特地区落成，随后，北荷兰又涌现出多座跨度9～12米、造型各异的3D打印桥梁，这些桥梁依托3D打印技术，实现复杂造型的精准构建，为桥梁建设注入创新活力。盈创科技在苏申外港线（江苏段）航道利用3D打印混凝土技术建造了二级护岸，其护坡整体呈梯形，墙体上设计有生态孔洞，可以满足水生物栖息，实现了护岸与河道的有机结合，极大地减少了现场工程量以及对河岸生态的影响。盈创科技还利用3D打印混凝土技术建造了凹面设计的高速公路噪声隔离墙，可以极大地消减噪声，展现该技术在基础设施领域的巨大潜力。

2024年，全球单体面积最大的3D打印美术馆在浙江桐乡落成，其集艺术展览、创意工坊、学术交流和文化体验等多种功能于一体，整体由错落有致排列的管道结构组成，具有浓厚的艺术气息。建造过程中，研发团队针对不同温湿度环境对材料进行优化，在规模化生产中实现尺寸误差毫米级控制，采用主体结构与保温层同步打印的技术，展现了艺术与技术的完美结合。

2024年在浙江桐乡落成的美术馆是全球单体面积最大的3D打印建筑

浙江大学联合灵砼科技等公司产研协作在河北故城共同完成了一座 3D打印新中式民居，房屋、院墙、廊柱、庭院景观等构件都基于高精度数字技术由绿色固废低碳混凝土层层堆叠构建而成，其中的空心墙体填充保温材料实现冬暖夏凉的同时保证抗震抗灾，数字化设计的3D打印混凝土墙面，自带艺术花纹和浮雕效果。

待解之困与创新突破

经过多年的发展，3D打印建筑技术取得了巨大成就，但其在大规模推广应用中，仍存在诸多亟待解决的技术难题。

3D打印建筑需先通过设计软件完成模型构建，再经自动化程序控制完成施工作业。然而，目前的软件在可操作性、控制软件与现有三维实体设计软件的交互性、切片与路径规划的精确度、与硬件设备兼容性、多样工艺的适应性方面仍有较大的改进空间。

3D打印机是施工作业的执行载体，在面对大型、超大型建筑和高层建筑时，现有的设备难以满足相关规模和高度需求。3D打印机与相关配套设备，如材料输送系统、运动控制系统等的协同配合以及复杂作业场景的设备间的通用性问题等仍需改进。针对不同打印材料和建筑设计要求，当前设备在材料兼容性和精度控制上仍有较大提升空间，难以满足多样化打印需求。

混凝土是目前3D打印建筑使用较为普遍的材料，但传统混凝土材料无法满足3D打印工艺对力学性能、保温隔热性、工作性能等多方面的严苛要求，在生产和处理过程中存在高能耗、高污染等问题，低碳环保的材料研发进度滞后。此外，对于高强度、防火防水、特殊工艺造型等特殊性能需求，也需要针对性地开发新的材料。

3D打印建筑的成型工艺中，铺层逻辑、工艺参数、路径规划等控制策略对建筑质量和效率具有决定性影响，当前尚无成熟的通用方案。3D打印的层叠工艺对层间粘合强度提出更高要求，需结合材料和工艺进行研究改进。同时，3D打印建筑的表面较为粗糙，二次装修会增加成本与工期。随着建筑层高增加，无配筋结构难以保障安全，但如何在3D打印建筑中合理配筋尚无成熟方案。

通过创新攻克技术难关，是实现3D打印建筑广泛应用与长远发展的关键所在，行业正在迎难而上。在控制软件方面，同济大学袁烽教授团队自主研发的FURobot机器人控制软件，支持对多品牌机器人，甚至自定义机器人的控制，具有对复杂形体的自适应多角度切片、智能路径规划填充、离线打印程序生成以及实时通讯、机器人虚拟仿真、轴关节优化控制等功能，具有较高的通用性。此外，还有德国的KUKA、以及英国的HAL等，具有强大的功能和广泛的应用实践，且在持续改进升级。

在设备技术方面，中国盈创的门式可移动立柱式大型打印设备，采用高精度三轴智能协同运动控制系统，能够根据建筑结构的特点，灵活调整支撑系统的布置。中建八局公开了一种多轴3D打印机器人，在机架上设置机械臂和打印头，实现高集成化，并结合智能控制技术，实现自主避障和打印。Apis Cor的自主移动设备具备8.5米的工作半径和灵活的移动能力。中建钢构提出一种塔式3D打印机，将打印系统固定在传统的塔吊上，使得3D打印建筑突破高度限制。此外，通过多台设备的智能协作突破空间限制，以及提高设备的智能化水平实现更高程度的自主施工也是重点研究方向。

在材料技术方面，对传统混凝土材料进行改进，例如在硫铝酸盐水泥基材中选择合适的促凝剂和缓凝剂，结合配比可以灵活控制缓凝时间和硬化速度，以适应不同的温湿度环境。为废弃物回收利用，我国高校研究人员将氧化石墨烯加入利用建筑垃圾和矿物废物等的地聚合物中，通过改变其流动性使地聚合物材料能更好地用于3D打印建筑。信阳学院对以矿山废渣石和稻草麦秸秆为基材的3D打印建筑构件进行研究。此外，材料研究还涉及将纤维材料、金属材料、感光性树脂等与其他主要材料融合，以及以自适应温控、自修复等为特性的智能材料的开发应用。

在工艺技术方面，ICON的Vulcan系统将打印速度提升至2000mm/s，得益于独创的温度补偿系统和材料性能调节技术，能在2～43℃的极端温度和20～95%的湿度范围内稳定运行。上海应用技术大学通过监测系统打印的状态参数，并基于环境因素适时调整工艺参数，保证层间粘结力；同时将实时参数保存录入迭代学习以完善云端数据库内参数，进一步发挥3D打印的智能化优势，同时通过智能风险预警规避施工中可能发生的风险。

ICD/ITKE团队借鉴甲虫鞘翅结构，通过3D打印，精准呈现了建筑师创意。

西安交通大学公开的复杂建筑构件3D打印轨迹规划方法，在保证一定填充率的基础上规划出一条不交叉、连续且平滑的轨迹，并且提高效率减少冗余路径。中国十七冶集团公开了一种3D打印混凝土竖向构件配筋方法及其配筋系统，将钢筋骨架采用分段方式制成，打印前处于分离状态，打印时可组装成封闭状态，解决了打印路径和配筋无法协同完成的问题。

3D打印技术正以多元创新的姿态，重塑建筑行业的建造模式、设计理念与成本结构，为建筑领域的未来发展开辟广阔前景。

月亮之上

在3D打印建筑技术发展成熟、全自动化建造技术的辅助下，利用来自月球的材料建造栖息地成为研究的热点。2013年，英国福斯特建筑事务所与欧洲航天局合作，以模块化管道组成结构基底支撑充气式圆顶，将模拟月壤通过D-Shape 3D打印机在圆顶上沉积一层类似泡沫的轻质结构，最终建成了月球房屋的模型。2025年，NASA提出MMPACT项目，主要使用模拟的月球和火星土壤配合水等粘合剂进行混合，致力于研究如何通过机器人3D打印技术，使用当地材料建造基础设施，如居住舱、着陆平台和辐射防护层等。

美国ICON公司还研发了“奥林匹斯”（Olympus）建筑系统，采用“激光玻璃多材料转化”技术，利用高能激光将风化层熔融成类似陶瓷的高强度结构。2025年2月，ICON还在蓝色起源公司的亚轨道火箭上进行了模拟月壤的测试，将其行为特性与阿波罗任务中带回的真实月壤进行对比，以验证技术可行性。

我国在月球基地建设研究方面提出了独特的“月壶尊”方案，其形如竖立的鸡蛋壳，内部空间分层设计，上层为休息区，下层为工作区。丁烈云团队发明了形似蜘蛛的“月蜘蛛”机器人，创新地将3D打印和机械臂拼接两种方案融合，上半部分为混联机械臂，下半部分是多足移动平台，施工时可根据需要将机械臂更换为3D打印机，能依据设计要求完成多样化作业。在建造工艺上，团队还提出月球玄武基地构想，把中国传统的制砖砌筑工艺与3D打印技术有机结合，首先通过聚焦太阳光线实现1400～1500℃高温熔化月壤，通过3D打印成不同规格、具有榫卯结构的砖块，再采用整体预制拼装、局部打印连接的方式打造月面基地。

目前，科研人员正在空间站中对砖块的关键性能展开测试，包括极端环境下力学性能是否退化、热学性能能否适应月球环境，以及在强宇宙辐射条件下的抗辐射性能与耐久性能等。若进展顺利，随着“嫦娥八号”任务在2028年前后发射，中国有望成为首个实现月球表面原位建造建筑物的国家，成功跨越从“到访月球”到“定居月球”的重大历史阶段，人类也将得以入住由中国技术建造的月球首座永久性建筑。

随着创新的持续深入和应用场景的不断拓展，3D打印建筑技术将推动建筑行业向更加高效、智能、绿色、个性化的方向发展，在建筑工业化、数字化、智能化产业升级过程中发挥更为关键的作用，我们也将一起见证3D打印技术在建筑领域创造更多的奇迹，带动人类的居住空间迈向绿色低碳的美好明天。

（文章来源：《创意世界》2026年3月号）

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编校：苑宝平