八所院校联合发表涉3D打印混凝土领域重磅综述，登顶Nature子刊

Nat. Rev. Clean Technol. ：混凝土施工中的3D打印技术

3D printing technology in concrete construction

混凝土施工中的3D打印技术

出版年份：2025年

来源：Nature Reviews Clean Technology

第一作者：香港科技大学土木及环境工程学系 Yuying Zhang & 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室 朱效宏 研究员

通讯作者：香港科技大学土木及环境工程学系 Daniel C. W. Tsang 教授

低碳胶凝材料；固废基高贝利特硫铝酸盐水泥；粒化高炉矿渣；协同效应；水化反应；微观结构

材料浪费是建筑行业的一个关键问题。全球范围内，建筑材料占固体废物总量50%。据报道，32%的填埋废物源自建筑工地；13%的现场交付材料最终成为废料。水泥占建筑活动CO₂排放的36%，以及人为总排放量的8%，相当于人均产生约300 kg CO₂。此外，当前混凝土建造高度依赖模板，限制建筑设计的灵活性，并导致材料浪费、人力和成本增加。若模板不可重复使用或未标准化，其成本可占工程总价的35-60%。模板的可重复使用性取决于材料质量和施工专业性。据研究估算，木模板施工每平方米建筑可产生约10.52 kg废弃物。建筑行业在水泥和钢材使用、废弃物产生及运输过程中产生大量碳排放，亟需通过创新实践与技术提升资源利用率并降低材料浪费。

3DP混凝土技术正处于研发阶段，旨在实现自动化、高精度建造以及建筑与结构设计的可定制性。较传统模板施工技术，基于现场逐层打印的3DP建造可实现更轻的结构设计和空间利用率最大化的复杂建造，消除模板支护限制，减少材料运输需求，并提升建筑行业的可持续性。3DP较传统施工方法的优势是其最小化材料消耗和浪费。通过仅在必要处沉积材料并结合拓扑方法优化结构，3DP建造较传统建造可减少30%~70%的材料使用。

尽管3DP技术在设计灵活性、材料效率、工期缩短、劳动效率提升及质量控制和精度方面取得进展，若干挑战仍阻碍其常规工业化应用。低碳可打印材料、多尺度柔性打印设备、复杂结构设计以及生态系统自动化等技术挑战制约了3DP技术在大规模结构中的应用。另外，3DP建造需符合建筑法规和政策，并具备经济竞争力。只有克服这些挑战，方能提升混凝土结构的整体可持续性，尤其在建造和使用阶段中的能源与材料效率优化层面。

当前研究尚未系统阐明3D混凝土打印技术中材料–结构–功能一体化设计的协同机制、全生命周期可持续性评估体系及其在实际工程应用中的长期性能验证，故亟待对此进行综合性评述。

本文综述3DP技术在实现材料节约、结构效能提升及气候适应性基础设施建造方面的创新应用；重点探讨三轴打印设备演进、低碳打印材料研发与先进拓扑优化方法等关键进展；比较3DP建造与传统建造技术，重点关注技术、经济和可持续性方面；着重阐述AI在增强3DP施工中的应用，其核心在于优化材料性能以改善经济和结构效能，并实现智能基础设施和建筑；最后提出推动3DP技术作为清洁建造技术广泛采纳的发展路径，旨在构建更可持续性与韧性的城市生态系统。

图1 混凝土施工中的3DP：（a）3DP施工流程：展示材料流动与控制系统；通过计算机设计数字模型，并控制打印材料分配到搅拌机后泵送至打印设备，材料在机械臂控制下逐层挤出成型，随后进行养护形成3DP结构；（b）传统现场施工、预制构件（浇筑与3DP构件）及3DP现场施工的原材料输入与工艺

图2 可打印材料的可打印性与流变性：（a）3DP中，材料挤出阶段粘度随剪切速率增大而降低以保证光滑流动；固化阶段弹性模量随时间增长确保结构完整性；逐层堆叠阶段模量在剪切应力下趋于稳定以维持形态稳定；（b）屈服应力（τ₀）与塑性粘度（μ）的关联性：低粘度和屈服应力下，墨水易铺展；高粘度低屈服应力时结构易坍塌，高粘度高屈服应力易引发喷嘴堵塞；（c）流变参数与粘弹性性能的关系；（d）外加剂如高效减水剂、硅灰对流变行的影响；（e）砂粒和骨料形态对流动性的影响，其中球形颗粒可改善工作性

图3 3DP建筑特征与潜在功能：3DP技术可实现传统模板施工难以构建的建筑特征，包括垂直绿化空间、绿色屋顶及生态墙体等元素可融入至设计中；墙体等结构可预留空腔用于热管理—绝缘或相变材料可以包括在这些设计中，并在打印期间或之后应用；尽管储能材料与混凝土的集成已通过实验验证，但因材料相容性、耐久性及性能一致性等挑战，3DP技术大规模应用仍受限；凭借3DP设计灵活性，可将传感器集成至建筑中进行结构监测

3DP混凝土技术已从小型设备展到大型/移动式打印系统，这显著提升施工流程的灵活性并降低材料消耗。当前研究聚焦于低碳打印材料、拓扑优化和先进计算技术集成等关键领域，旨在优化结构节能与气候适应性。与传统方法相比，3DP可通过结构几何形态优化和消除模板废弃物来降低材料消耗，但仍需通过改进以克服其环境负面影响和提升可持续性水平。

3DP建造技术面临多重技术与实践挑战，包括可打印材料局限、钢筋集成技术难题、精度与质量控制、规模扩展瓶颈、复杂环境适应性，以及集成AI增强自动化以实现全流程优化等。突破这些难题亟需构建产学研协同创新机制，以开发和推广高性能设计、多功能打印材料与智能装备系统的研发与工程化应用。重点应聚焦于开发适应不同气候条件的材料体系，以及提升施工精度与效率的实时反馈技术。必须深度集成AI工具，以加强打印过程中的任务自动化、决策和质量控制。

为确保3DP建筑结构完整性与长期耐久性，亟需建立技术标准化体系，解决打印材料配比波动、挤出质量和层间粘结等问题，并强化质量控制、可重复性及符合建筑规范。3DP技术的规范，尤其是材料性能、工艺和制备方法的技术规范，需对打印过程、测试规程及全生命周期评价体系评估，以推动3DP大规模应用。试点项目应完善可打印材料、优化打印参数以及验证小型建筑和基础设施组件的结构性能。在3DP中集成完全自动化和可持续性措施，可以确保其无缝过渡到更广泛使用。作为一个新兴领域，发展适应3DP技术的监管框架需要大量投资和专业知识。政府机构、建筑行业和研究机构的合作对制定标准、指南和规范至关重要。此外，需解决物流挑战、复杂的设计要求以及特定地点环境问题，以推进3DP技术在不同规模建筑中的气候智能和非常规应用。

翻译：

王相秩        硕士生          台州学院

校核：

排版：

王晓雨        硕士生          湖北工业大学

朱效宏        研究员          北京工业大学