增材制造技术在建筑行业的创新应用与可持续发展前景

本文聚焦建筑行业面临的效率低下、资源浪费和设计局限等问题，研究人员通过系统性综述（PRISMA方法）分析了52篇文献，揭示了增材制造技术（AM）在混凝土3D打印、金属结构（WAAM）和地聚合物应用中的突破性进展。研究证实AM可减少60%材料浪费、缩短50%-80%工期，并推动8项联合国可持续发展目标（SDGs）的实现，为绿色建筑和太空基建提供了创新解决方案。

　　

建筑行业正面临效率瓶颈与环境挑战。传统施工方法存在材料浪费率高、工期长、碳排放量大等问题，而复杂建筑结构的实现往往受限于模板工艺。更严峻的是，全球住房缺口达3.3亿套，但常规建造方式难以满足需求。在此背景下，增材制造技术（Additive Manufacturing, AM）因其"逐层堆积"的特性，被视为破解行业困局的关键——它能将材料利用率提升至98%，实现24小时连续作业，甚至能在月球表面用月壤打印栖息地。

Universidad de Las Américas-Ecuador的研究团队在《Heliyon》发表综述，系统梳理了AM技术在建筑领域的十大技术路径。研究人员采用PRISMA框架筛选Scopus等数据库的52篇文献（Cohen's Kappa系数0.463），对比了龙门架系统、机械臂打印等技术的性能参数，并建立了材料-工艺-可持续性的多维评价体系。

关键技术包括：1）基于PRISMA方法的文献计量分析；2）建筑3D打印系统性能测试（涵盖ICON、COBOD等12种设备）；3）材料力学性能评估（如抗压强度>40MPa的Geopolymer）；4）生命周期评价（LCA）对比传统工艺。

研究结果揭示：

1. 技术进展

• 龙门架系统（Gantry）打印速度达1000mm/s（COBOD），可建造14.6×50.5m的超大结构；
• 机械臂系统（Robotic arm）实现500mm/s高速打印（CyBe），配合轨道系统扩展作业范围；
• 太空应用领域，月壤模拟物（Lunar regolith）经WAAM加工后抗压强度提升300%。

1. 材料突破

• 水泥基材料：Lavacrete?（ICON）实现150mm/s挤出，28天强度达35MPa；
• 金属材料：308L不锈钢通过WAAM工艺制造异形承重件，疲劳寿命超10⁶次循环；
• 可持续材料：WASP开发的粘土-秸秆复合材料，导热系数仅0.12W/mK。

1. 可持续效益

• 环境方面：AM使CO₂排放降低38%（对比传统混凝土施工）；
• 经济方面：墨西哥社会住房项目成本下降60%，建造周期压缩至72小时；
• 社会效益：符合SDG 11（可持续城市）等8项联合国目标。

讨论部分指出三大转型机遇：1）混合建造模式（AM+传统工艺）可解决楼板等复杂构件成型难题；2）人工智能优化拓扑结构，使梁体减重40%保持强度；3）就地资源利用（如月球基地建设）将重塑基建范式。但需突破标准缺失（仅23%项目通过ASTM认证）、工艺稳定性（层间粘结强度波动达±15%）等挑战。

该研究为行业提供了技术路线图，证实AM技术不仅能解决地球上的住房危机，其材料创新和自动化优势更将推动人类走向"星际建造"时代。随着WAAM工艺和再生材料的成熟，未来10年AM有望占据15%的建筑市场份额，真正实现"设计即生产"的建筑革命。