综述：通过3D打印混凝土推进可持续建筑的发展：加固方法与结构设计理念

《Journal of Building Engineering》：Advancing sustainable structures through 3D printed concrete: Reinforcement methods and structural design philosophy

三维打印混凝土（3DPC）技术通过数字化建模实现免模板成型，具有几何自由度高、材料浪费少、施工效率提升等优势，但面临传统钢筋配筋系统整合困难、缺乏多样化结构形式设计哲学等问题。本文系统综述了纤维增强、轻质增强系统、永久模板增强及预应力节段四大结构形式的增强策略，提炼出涵盖材料优化、结构拓扑优化、智能算法集成和全生命周期评估的系统化设计流程，为突破3DPC脆性、提升抗震性能及实现低碳建造提供理论支撑。

　　

王强|王莉|马国伟

河北工业大学土木与交通工程学院，天津，300401，中国

摘要

三维打印混凝土（3DPC）作为一种变革性技术，提供了前所未有的几何自由度、减少了材料浪费，并提高了施工效率。然而，3DPC作为承重结构的广泛应用在整合传统加固系统方面面临困难，同时也缺乏针对各种结构形式的设计理念。为此，本文回顾了3DPC加固策略的最新进展，并探讨了四种结构形式的设计理念：纤维增强3DPC、加固型轻量化3DPC系统、3DPC永久模板加固混凝土以及预应力分段3DPC结构。本文概述了系统的设计工作流程，并强调了每种结构类型的关键考虑因素。此外，还比较了这些系统的相对优势和局限性，突出了3DPC通过将先进的加固策略与智能设计相结合来革新可持续建筑的潜力，从而促进更加坚韧和环保的建筑环境。总结的研究成果有望为3DPC结构的设计提供深入理解，并确定未来的研究重点，以促进其在工程中的广泛应用。

引言

建筑行业约占全球温室气体排放量的38%，固体废物产生的40%，以及饮用水消耗的12%[[1], [2], [3]]。预计到2050年，城市人口将占世界总人口的68%[4]，对建筑环境的需求将激增，导致更多的建筑、基础设施建设和混凝土使用。这种增长将对社会和生态系统带来严重的经济、社会和环境压力，特别是在住房、交通和关键基础设施方面。为了克服这些挑战，行业必须探索创新且可持续的解决方案，以实现技术进步与社会经济的平衡[5]。

混凝土由于其显著的优势而仍然是主要的建筑材料：成本效益高、供应广泛、耐火性能优异、热质量特性好、抗压强度高、耐久性强，以及单位质量的嵌入能量和排放量相对较低[[6], [7], [8], [9]]。在快速发展的建筑领域，三维打印混凝土（3DPC）技术（也称为通过数字模型逐层创建三维对象的混凝土增材制造）因其独特的优势（如无需模板、减少对劳动力的依赖以及增强的设计灵活性）而受到学术界和工业界的越来越多的关注[[10], [11], [12]]。尽管由于工艺限制，3D打印砂浆通常需要更高的水泥含量，但其低碳潜力必须在生命周期评估框架内进行评估，涵盖材料生产、施工、使用和维护以及拆除和回收的各个阶段。通过合理的结构轻量化以及开发含有大量矿物掺合料和低碳粘合剂的砂浆，3DPC可以实现比传统方法更低的碳排放。因此，它能够实现以前无法实现的几何复杂性，推动可持续和低碳建筑的边界[[13], [14], [15], [16], [17]]。

近年来，3DPC技术已在土木工程、市政桥梁、水利和交通等多个领域得到广泛应用（见图1）。由于这项技术的优势，预计其在未来几年的应用将继续显著增长，正如Ma等人所认为的[29]。这一前景也得到了市场预测的支持，这些预测预计建筑3D打印行业的规模将在未来十年内从十亿欧元增长到数百亿欧元[30]。

3DPC的显著进展反映了其多学科性质和通过不同阶段的演变发展（见图2）。在早期探索阶段（20世纪90年代末至2008年左右），研究主要集中在将数字制造概念应用于混凝土材料[[31], [32], [33]]。这一阶段旨在探索3DPC在建筑领域的潜力。随着对自由形态几何结构需求的增长，3DPC进入了概念验证阶段（2009-2016年），并在实验室环境中验证了基本材料和小型结构[[34], [35], [36], [37]]。随后，基于2017年和2020年的大量研究，逐步建立了打印设备优化、材料复合材料、加固策略以及结构系统开发的工作流程[[38], [39], [40], [41], [42]]。在这一阶段，高性能材料（如工程水泥基复合材料（ECC）[39]和超高性能混凝土（UHPC）[42]）在抗拉性能（抗拉应变超过4.0%）和抗压强度（超过100 MPa）方面取得了突破。开发了能够进行多材料混合和局部加固打印的多功能喷嘴设计[43,44]，并验证了自动连续微电缆加固技术的可行性[45,46]。

该技术已进入成熟阶段（2021年至今），欧洲、美国和中国的学术机构和公司加大了3DPC的研发力度。2023年，SP/ASTM发布了首个全球3DPC参考标准[47]。完成了超过两百个标志性项目，例如法国的无钢筋砌体人行桥（2021年）[48]，标志着该技术向实际应用的过渡。自2023年以来，3DPC已转向工业规模的应用，得益于AI优化算法、智能控制系统和先进的BIM集成，使得施工更快、更精确和更可持续。3DPC的应用范围扩展到了大型住宅建筑、商业建筑和基础设施。它已经实现了包括5600平方米的整体结构[22]、30米高的塔楼[22]和40米跨度的步行桥[15]等突破性工程应用，同时显著提高了结构的韧性和功能多样性。材料和数字制造方面的持续进步正推动该技术朝着能够实现更大跨度和高精度的智能系统发展，使其成为建筑行业数字化的变革力量。

尽管对高性能3DPC结构的需求不断增长，以满足承载能力、抗震性和低碳可持续性等多功能要求，但逐层制造过程与传统钢筋加固方法存在根本冲突[49]。这种不兼容性源于：（i）打印过程中保持钢筋定位精度的技术困难，影响了工艺连续性和层间粘结；（ii）设备限制导致无法同时进行混凝土浇筑和钢筋放置，需要牺牲效率的手动干预；（iii）由于各向异性微观结构，钢-混凝土界面行为与浇筑混凝土有显著不同。这种缺乏横向加固的情况严重影响了结构性能，特别是在抗震延展性和剪切能力方面，因此需要创新的设计方法。因此，设计3DPC结构需要一种平衡的方法，整合加固方法和结构响应，以协调材料和形式的固有复杂性，使性能与可建造性相匹配。

尽管已有大量关于3DPC材料和工艺方面的综述，但仍然缺乏对其独特约束条件的结构设计策略的系统性综合。因此，有必要通过评估不同结构系统和加载条件下的加固策略与打印过程的兼容性来进行系统评估。在这些努力之后，应提升材料效率、结构完整性和加固兼容性的有效性，以增强结构性能、实现轻量化设计，并同时减少过度设计带来的碳足迹。

在此背景下，本研究重点回顾和综合现有工作，以提高3DPC的广泛适应性，目标是实现成本效益高且碳效率高的结构。该分析探讨了3DPC结构的关键考虑因素，从加固策略选择和结构设计概念出发，到对其应用特定优势和局限性的关键评估。主要目的是评估现有的加固方法和结构配置，并为特定应用场景下的各种结构组件定义设计边界。本文提供的见解有助于理解3DPC技术的结构设计优化和脱碳潜力，为使用增材制造实现可持续结构提供了有价值的视角和框架。

部分摘录

综述方法

为了描绘3DPC结构的加固方法和结构设计的当前研究现状，遵循了系统评价和荟萃分析的优先报告项目（PRISMA）指南[50]进行了系统的文献回顾。本综述基于以下核心研究问题：“3D打印混凝土结构在承重场景中的设计和应用是怎样的？”这个问题的提出为研究方向提供了明确的方向

3DPC的加固策略

3DPC特有的分层沉积过程对传统加固方法造成了固有的限制，因此需要专门的兼容解决方案，这已成为建筑技术领域的主要研究方向。目前采用的各种材料系统包括高性能短纤维[51]、柔性纤维腱[52]、钢/FRP钢筋[53,54]和柔性/刚性网格[55]，这些可以根据其掺入方法进行分类

3DPC的结构设计和性能

结构加固技术的突破为扩大3D打印建筑应用的规模奠定了关键技术基础。为了推动3DPC技术在土木工程领域的广泛应用，有必要基于现有研究成果，深入研究3DPC结构的创新几何设计和优化方法，重点关注材料之间的协同优化

结论

总之，3DPC通过整合材料创新、加固策略和结构设计理念，代表了一种推进可持续结构的变革性方法。先进的加固方法，如嵌入式钢筋、后张拉和非金属复合材料，解决了3DPC的脆性问题并提高了延展性。此外，设计理念的转变，强调拓扑优化、轻量化和功能驱动的几何形状，实现了资源的高效利用

建议和未来展望

• (1)
  迫切需要开发路径规划算法，以优化复杂应力状态下的多加固布局。这应与关于加固表面修改和界面过渡区微观结构控制的研究相结合，以增强粘结耐久性。此外，基于机械臂的连续纤维或柔性加固材料的同步植入对于深入整合加固和打印至关重要。最终，这些努力将

作者贡献声明

王强：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、软件、方法论。王莉：可视化、验证、监督、方法论、数据管理。马国伟：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号：52508261和52322804）、天津市自然科学基金（编号：23JCZDJC00360）和河北省自然科学基金（编号：E2023202048）的财政支持。