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

從地穴到茅屋，從木構(gòu)到磚石，從混凝土到鋼結(jié)構(gòu)，人類建造自己居所的歷史已有數(shù)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(shù)和材料等因素的限制，傳統(tǒng)的建筑工藝施工周期長(zhǎng)、作業(yè)場(chǎng)所占用空間大、建筑材料繁多、作業(yè)機(jī)械復(fù)雜，不僅給環(huán)境帶來(lái)了較為嚴(yán)重的破壞，還大大浪費(fèi)了人力資源和社會(huì)資源。3D打印建筑技術(shù)基于計(jì)算機(jī)輔助數(shù)字化設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)師、建筑師和工程師的工作與計(jì)算機(jī)應(yīng)用融合為一，其誕生和發(fā)展引領(lǐng)了建筑業(yè)在工藝、設(shè)備和材料上的創(chuàng)新浪潮，為建筑行業(yè)的未來(lái)發(fā)展帶來(lái)了新的希望，預(yù)示著一場(chǎng)建筑行業(yè)顛覆性革命的到來(lái)。

一場(chǎng)“打印”的建筑革命

3D打印技術(shù)，亦稱增材制造技術(shù)，其運(yùn)用CAD創(chuàng)建三維數(shù)據(jù)模型，通過(guò)軟件將模型先分解為若干個(gè)二維的切片，然后根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的移動(dòng)路徑，通過(guò)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(shù)于20世紀(jì)80年代起源于美國(guó)，并迅速在航空航天、醫(yī)療、電子工業(yè)、食品制造和零部件加工工業(yè)等領(lǐng)域推廣普及，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)效益。

建筑行業(yè)也受到啟發(fā)，2004年，美國(guó)南加州大學(xué)借鑒3D打印技術(shù)發(fā)明了建筑輪廓成型技術(shù)，即先打印成型建筑的輪廓，再將纖維材料填充到輪廓內(nèi)部，制造了首個(gè)實(shí)體建筑部件，宣告了3D打印建筑的誕生。2013年，荷蘭的簡(jiǎn)加普·魯基森納斯和D型3D建筑打印機(jī)的創(chuàng)始人恩里科·迪尼共同設(shè)計(jì)，并使用其3D打印機(jī)建造了世界上首個(gè)整體3D打印建筑Landscape House，由此掀起3D打印建筑發(fā)展的熱潮。

基于其獨(dú)特的制造過(guò)程，3D打印建筑技術(shù)相比于傳統(tǒng)的建筑方式具有顯著的優(yōu)勢(shì)。3D打印的一體化集成施工以及計(jì)算機(jī)控制的擠出鋪層作業(yè)模式，使建造速度提高10倍以上，且能夠24小時(shí)不間斷作業(yè)。廣東一棟利用3D打印的230平方米小樓不到60小時(shí)就完成建造，建設(shè)周期大幅度縮減。數(shù)字化自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)材料精準(zhǔn)供應(yīng)，減少了材料浪費(fèi)，工藝簡(jiǎn)化不僅削減了模板等輔助工具的使用，同時(shí)減少了作業(yè)人員，使得建筑成本顯著降低。

3D打印突破了傳統(tǒng)建筑工藝的限制，更加適合仿生形態(tài)和異形結(jié)構(gòu)等復(fù)雜幾何形狀的建筑，對(duì)于傳統(tǒng)建筑技術(shù)難以駕馭的特殊結(jié)構(gòu)，如具有獨(dú)特的圓頂與肋狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的意大利Tecla House，3D打印可以輕松應(yīng)對(duì)，其在建筑的藝術(shù)性和施工的技術(shù)性之間建起了橋梁，為建筑師提供了更為廣闊的創(chuàng)作空間。3D打印建筑能夠選擇建筑垃圾、工業(yè)廢渣等材料，實(shí)現(xiàn)廢料可回收利用，減少資源開采，更加低碳環(huán)保。

3D打印建筑技術(shù)正憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，引領(lǐng)建筑行業(yè)邁向新的發(fā)展階段。從溫馨舒適的住宅小屋到精巧實(shí)用的基礎(chǔ)設(shè)施，從別具一格的文化場(chǎng)館到充滿創(chuàng)意的商業(yè)空間，3D打印技術(shù)宛如一顆璀璨的新星，在建筑領(lǐng)域的多元場(chǎng)景中展現(xiàn)出強(qiáng)大生命力。

美國(guó)Apis Cor公司通過(guò)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(jī)通過(guò)起重機(jī)在施工現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)，只需要一臺(tái)機(jī)器和3個(gè)工人配合，通過(guò)使用Apis Cor公司研發(fā)的類石膏混合物速干材料，克服了迪拜復(fù)雜惡劣的氣候條件，在露天環(huán)境下，完成了空心墻壁的3D打印。

ICD/ITKE團(tuán)隊(duì)基于仿生設(shè)計(jì)理念，借鑒甲蟲鞘翅結(jié)構(gòu)，運(yùn)用兩個(gè)大型同步3D打印設(shè)備KUKA，將玻璃和碳纖維打印纏繞于薄質(zhì)鋼框架上，再以小型柱狀結(jié)構(gòu)連接實(shí)現(xiàn)了雙層模塊化建筑。這種基于纖維復(fù)合材料通過(guò)機(jī)器人無(wú)分段3D打印建造復(fù)雜藝術(shù)建筑的方式，不僅實(shí)現(xiàn)了建筑結(jié)構(gòu)的輕巧堅(jiān)固，更做到了設(shè)計(jì)與建造的無(wú)縫銜接，精準(zhǔn)呈現(xiàn)了建筑師創(chuàng)意。

在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)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(qū)落成，隨后，北荷蘭又涌現(xiàn)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(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜造型的精準(zhǔn)構(gòu)建，為橋梁建設(shè)注入創(chuàng)新活力。盈創(chuàng)科技在蘇申外港線（江蘇段）航道利用3D打印混凝土技術(shù)建造了二級(jí)護(hù)岸，其護(hù)坡整體呈梯形，墻體上設(shè)計(jì)有生態(tài)孔洞，可以滿足水生物棲息，實(shí)現(xiàn)了護(hù)岸與河道的有機(jī)結(jié)合，極大地減少了現(xiàn)場(chǎng)工程量以及對(duì)河岸生態(tài)的影響。盈創(chuàng)科技還利用3D打印混凝土技術(shù)建造了凹面設(shè)計(jì)的高速公路噪聲隔離墻，可以極大地消減噪聲，展現(xiàn)該技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的巨大潛力。

2024年，全球單體面積最大的3D打印美術(shù)館在浙江桐鄉(xiāng)落成，其集藝術(shù)展覽、創(chuàng)意工坊、學(xué)術(shù)交流和文化體驗(yàn)等多種功能于一體，整體由錯(cuò)落有致排列的管道結(jié)構(gòu)組成，具有濃厚的藝術(shù)氣息。建造過(guò)程中，研發(fā)團(tuán)隊(duì)針對(duì)不同溫濕度環(huán)境對(duì)材料進(jìn)行優(yōu)化，在規(guī)模化生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)尺寸誤差毫米級(jí)控制，采用主體結(jié)構(gòu)與保溫層同步打印的技術(shù)，展現(xiàn)了藝術(shù)與技術(shù)的完美結(jié)合。

2024年在浙江桐鄉(xiāng)落成的美術(shù)館是全球單體面積最大的3D打印建筑

浙江大學(xué)聯(lián)合靈砼科技等公司產(chǎn)研協(xié)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(gòu)件都基于高精度數(shù)字技術(shù)由綠色固廢低碳混凝土層層堆疊構(gòu)建而成，其中的空心墻體填充保溫材料實(shí)現(xiàn)冬暖夏涼的同時(shí)保證抗震抗災(zāi)，數(shù)字化設(shè)計(jì)的3D打印混凝土墻面，自帶藝術(shù)花紋和浮雕效果。

待解之困與創(chuàng)新突破

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，3D打印建筑技術(shù)取得了巨大成就，但其在大規(guī)模推廣應(yīng)用中，仍存在諸多亟待解決的技術(shù)難題。

3D打印建筑需先通過(guò)設(shè)計(jì)軟件完成模型構(gòu)建，再經(jīng)自動(dòng)化程序控制完成施工作業(yè)。然而，目前的軟件在可操作性、控制軟件與現(xiàn)有三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件的交互性、切片與路徑規(guī)劃的精確度、與硬件設(shè)備兼容性、多樣工藝的適應(yīng)性方面仍有較大的改進(jìn)空間。

3D打印機(jī)是施工作業(yè)的執(zhí)行載體，在面對(duì)大型、超大型建筑和高層建筑時(shí)，現(xiàn)有的設(shè)備難以滿足相關(guān)規(guī)模和高度需求。3D打印機(jī)與相關(guān)配套設(shè)備，如材料輸送系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等的協(xié)同配合以及復(fù)雜作業(yè)場(chǎng)景的設(shè)備間的通用性問(wèn)題等仍需改進(jìn)。針對(duì)不同打印材料和建筑設(shè)計(jì)要求，當(dāng)前設(shè)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(tǒng)混凝土材料無(wú)法滿足3D打印工藝對(duì)力學(xué)性能、保溫隔熱性、工作性能等多方面的嚴(yán)苛要求，在生產(chǎn)和處理過(guò)程中存在高能耗、高污染等問(wèn)題，低碳環(huán)保的材料研發(fā)進(jìn)度滯后。此外，對(duì)于高強(qiáng)度、防火防水、特殊工藝造型等特殊性能需求，也需要針對(duì)性地開發(fā)新的材料。

3D打印建筑的成型工藝中，鋪層邏輯、工藝參數(shù)、路徑規(guī)劃等控制策略對(duì)建筑質(zhì)量和效率具有決定性影響，當(dāng)前尚無(wú)成熟的通用方案。3D打印的層疊工藝對(duì)層間粘合強(qiáng)度提出更高要求，需結(jié)合材料和工藝進(jìn)行研究改進(jìn)。同時(shí)，3D打印建筑的表面較為粗糙，二次裝修會(huì)增加成本與工期。隨著建筑層高增加，無(wú)配筋結(jié)構(gòu)難以保障安全，但如何在3D打印建筑中合理配筋尚無(wú)成熟方案。

通過(guò)創(chuàng)新攻克技術(shù)難關(guān)，是實(shí)現(xiàn)3D打印建筑廣泛應(yīng)用與長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的關(guān)鍵所在，行業(yè)正在迎難而上。在控制軟件方面，同濟(jì)大學(xué)袁烽教授團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的FURobot機(jī)器人控制軟件，支持對(duì)多品牌機(jī)器人，甚至自定義機(jī)器人的控制，具有對(duì)復(fù)雜形體的自適應(yīng)多角度切片、智能路徑規(guī)劃填充、離線打印程序生成以及實(shí)時(shí)通訊、機(jī)器人虛擬仿真、軸關(guān)節(jié)優(yōu)化控制等功能，具有較高的通用性。此外，還有德國(guó)的KUKA、以及英國(guó)的HAL等，具有強(qiáng)大的功能和廣泛的應(yīng)用實(shí)踐，且在持續(xù)改進(jìn)升級(jí)。

在設(shè)備技術(shù)方面，中國(guó)盈創(chuàng)的門式可移動(dòng)立柱式大型打印設(shè)備，采用高精度三軸智能協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，靈活調(diào)整支撐系統(tǒng)的布置。中建八局公開了一種多軸3D打印機(jī)器人，在機(jī)架上設(shè)置機(jī)械臂和打印頭，實(shí)現(xiàn)高集成化，并結(jié)合智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自主避障和打印。Apis Cor的自主移動(dòng)設(shè)備具備8.5米的工作半徑和靈活的移動(dòng)能力。中建鋼構(gòu)提出一種塔式3D打印機(jī)，將打印系統(tǒng)固定在傳統(tǒng)的塔吊上，使得3D打印建筑突破高度限制。此外，通過(guò)多臺(tái)設(shè)備的智能協(xié)作突破空間限制，以及提高設(shè)備的智能化水平實(shí)現(xiàn)更高程度的自主施工也是重點(diǎn)研究方向。

在材料技術(shù)方面，對(duì)傳統(tǒng)混凝土材料進(jìn)行改進(jìn)，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(jié)合配比可以靈活控制緩凝時(shí)間和硬化速度，以適應(yīng)不同的溫濕度環(huán)境。為廢棄物回收利用，我國(guó)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(guò)改變其流動(dòng)性使地聚合物材料能更好地用于3D打印建筑。信陽(yáng)學(xué)院對(duì)以礦山廢渣石和稻草麥秸稈為基材的3D打印建筑構(gòu)件進(jìn)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(yīng)溫控、自修復(fù)等為特性的智能材料的開發(fā)應(yīng)用。

在工藝技術(shù)方面，ICON的Vulcan系統(tǒng)將打印速度提升至2000mm/s，得益于獨(dú)創(chuàng)的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)和材料性能調(diào)節(jié)技術(shù)，能在2～43℃的極端溫度和20～95%的濕度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)打印的狀態(tài)參數(shù)，并基于環(huán)境因素適時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，保證層間粘結(jié)力；同時(shí)將實(shí)時(shí)參數(shù)保存錄入迭代學(xué)習(xí)以完善云端數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)參數(shù)，進(jìn)一步發(fā)揮3D打印的智能化優(yōu)勢(shì)，同時(shí)通過(guò)智能風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警規(guī)避施工中可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

ICD/ITKE團(tuán)隊(duì)借鑒甲蟲鞘翅結(jié)構(gòu)，通過(guò)3D打印，精準(zhǔn)呈現(xiàn)了建筑師創(chuàng)意。

西安交通大學(xué)公開的復(fù)雜建筑構(gòu)件3D打印軌跡規(guī)劃方法，在保證一定填充率的基礎(chǔ)上規(guī)劃出一條不交叉、連續(xù)且平滑的軌跡，并且提高效率減少冗余路徑。中國(guó)十七冶集團(tuán)公開了一種3D打印混凝土豎向構(gòu)件配筋方法及其配筋系統(tǒng)，將鋼筋骨架采用分段方式制成，打印前處于分離狀態(tài)，打印時(shí)可組裝成封閉狀態(tài)，解決了打印路徑和配筋無(wú)法協(xié)同完成的問(wèn)題。

3D打印技術(shù)正以多元?jiǎng)?chuàng)新的姿態(tài)，重塑建筑行業(yè)的建造模式、設(shè)計(jì)理念與成本結(jié)構(gòu)，為建筑領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展開辟?gòu)V闊前景。

月亮之上

在3D打印建筑技術(shù)發(fā)展成熟、全自動(dòng)化建造技術(shù)的輔助下，利用來(lái)自月球的材料建造棲息地成為研究的熱點(diǎn)。2013年，英國(guó)福斯特建筑事務(wù)所與歐洲航天局合作，以模塊化管道組成結(jié)構(gòu)基底支撐充氣式圓頂，將模擬月壤通過(guò)D-Shape 3D打印機(jī)在圓頂上沉積一層類似泡沫的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，最終建成了月球房屋的模型。2025年，NASA提出MMPACT項(xiàng)目，主要使用模擬的月球和火星土壤配合水等粘合劑進(jìn)行混合，致力于研究如何通過(guò)機(jī)器人3D打印技術(shù)，使用當(dāng)?shù)夭牧辖ㄔ旎A(chǔ)設(shè)施，如居住艙、著陸平臺(tái)和輻射防護(hù)層等。

美國(guó)ICON公司還研發(fā)了“奧林匹斯”（Olympus）建筑系統(tǒng)，采用“激光玻璃多材料轉(zhuǎn)化”技術(shù)，利用高能激光將風(fēng)化層熔融成類似陶瓷的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)。2025年2月，ICON還在藍(lán)色起源公司的亞軌道火箭上進(jìn)行了模擬月壤的測(cè)試，將其行為特性與阿波羅任務(wù)中帶回的真實(shí)月壤進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證技術(shù)可行性。

我國(guó)在月球基地建設(shè)研究方面提出了獨(dú)特的“月壺尊”方案，其形如豎立的雞蛋殼，內(nèi)部空間分層設(shè)計(jì)，上層為休息區(qū)，下層為工作區(qū)。丁烈云團(tuán)隊(duì)發(fā)明了形似蜘蛛的“月蜘蛛”機(jī)器人，創(chuàng)新地將3D打印和機(jī)械臂拼接兩種方案融合，上半部分為混聯(lián)機(jī)械臂，下半部分是多足移動(dòng)平臺(tái)，施工時(shí)可根據(jù)需要將機(jī)械臂更換為3D打印機(jī)，能依據(jù)設(shè)計(jì)要求完成多樣化作業(yè)。在建造工藝上，團(tuán)隊(duì)還提出月球玄武基地構(gòu)想，把中國(guó)傳統(tǒng)的制磚砌筑工藝與3D打印技術(shù)有機(jī)結(jié)合，首先通過(guò)聚焦太陽(yáng)光線實(shí)現(xiàn)1400～1500℃高溫熔化月壤，通過(guò)3D打印成不同規(guī)格、具有榫卯結(jié)構(gòu)的磚塊，再采用整體預(yù)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(duì)磚塊的關(guān)鍵性能展開測(cè)試，包括極端環(huán)境下力學(xué)性能是否退化、熱學(xué)性能能否適應(yīng)月球環(huán)境，以及在強(qiáng)宇宙輻射條件下的抗輻射性能與耐久性能等。若進(jìn)展順利，隨著“嫦娥八號(hào)”任務(wù)在2028年前后發(fā)射，中國(guó)有望成為首個(gè)實(shí)現(xiàn)月球表面原位建造建筑物的國(guó)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(guó)技術(shù)建造的月球首座永久性建筑。

隨著創(chuàng)新的持續(xù)深入和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，3D打印建筑技術(shù)將推動(dòng)建筑行業(yè)向更加高效、智能、綠色、個(gè)性化的方向發(fā)展，在建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化產(chǎn)業(yè)升級(jí)過(guò)程中發(fā)揮更為關(guān)鍵的作用，我們也將一起見證3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域創(chuàng)造更多的奇跡，帶動(dòng)人類的居住空間邁向綠色低碳的美好明天。

（文章來(lái)源：《創(chuàng)意世界》2026年3月號(hào)）

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編校：苑寶平