《Next Materials》：3D printing in construction: A review of emerging technologies, advanced materials, and future opportunities
编辑推荐：
增材制造（Additive Manufacturing, AM），通常称为3D打印，正因其在提升设计灵活性、施工速度、材料利用效率及可持续性方面的潜力，而成为建筑行业中的变革性技术。本综述通过联结主要增材制造技术、先进建筑材料、实际应用、性能评价方法、环境影响
增材制造（Additive Manufacturing, AM），通常称为3D打印，正因其在提升设计灵活性、施工速度、材料利用效率及可持续性方面的潜力，而成为建筑行业中的变革性技术。本综述通过联结主要增材制造技术、先进建筑材料、实际应用、性能评价方法、环境影响以及未来实施挑战，对建筑领域3D打印进行了综合性评估。不同于以往主要聚焦于可打印混凝土、机器人系统或可持续性等孤立方面的综述，本研究构建了一个综合框架，将打印技术、材料行为、力学性能、标准化以及工程实际采纳联系起来。综述涵盖的关键技术包括轮廓成型（Contour Crafting, CC）、混凝土打印（Concrete Printing, CP）、熔融沉积成型（Fused Deposition Modelling, FDM）、选择性激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS）、粘结剂喷射（Binder Jetting, BJ）、D-Shape打印以及机器人臂3D打印（Robotic Arm 3D Printing, RA3DP）；同时涉及的先进材料包括水泥基复合材料、超高性能混凝土（Ultra-High-Performance Concrete, UHPC）、聚合物、金属材料以及生物基可持续材料。研究特别关注新拌态与硬化态性能测试，包括流变学、可建造性、抗压强度、抗折强度、抗拉与劈裂强度、层间黏结、耐久性以及长期环境服役性能。研究结果表明，3D打印能够减少材料浪费、人工需求、施工时间和碳排放；然而，其大规模应用仍受到层间黏结薄弱、力学各向异性、材料局限性、设备成本高、缺乏标准化测试方法以及监管不确定性等因素制约。综述最终指出，只要未来研究优先推进材料优化、标准化、结构可靠性、配筋策略以及实用设计指南的建立，3D打印便具有实现可持续化与自动化建造的强大潜力。
该文发表于《Next Materials》，是一篇面向建筑领域增材制造（AM）的系统性综述。研究背景在于，传统建筑业长期存在生产率提升缓慢、劳动依赖度高、模板消耗大、施工周期长、资源浪费严重及碳排放高等问题，而建筑业又是全球资源消耗和经济活动的重要部门，因此亟须以数字化和自动化技术推动施工模式转型。3D打印因具备无模板成形、复杂几何构造制造、快速建造及定制化生产能力，被视为建筑工业化与可持续建造的重要路径。但该领域同时面临材料适配性不足、层间结合薄弱、各向异性显著、标准规范不健全和成本较高等障碍，因此有必要开展综合性梳理。
研究人员围绕建筑3D打印的技术体系、材料体系、工程应用、性能评价、环境经济影响以及未来发展方向进行了整合分析，得出的核心结论是：3D打印能够显著提升建筑施工自动化水平，减少材料浪费、人工投入、施工时长和部分碳排放，并拓展复杂构件与定制化建筑的实现边界；但其广泛工程化应用仍依赖于材料优化、层间界面增强、结构可靠性验证、标准化测试体系建立及法规完善。该综述的重要意义在于，为建筑3D打印从实验室研究走向主流工程实践提供了系统知识框架。
主要技术方法概括：本文采用综述研究路径，对建筑增材制造相关文献进行综合评述与归纳比较，系统整合打印技术类型、材料类别、力学与耐久性评价指标、环境经济效应及实施障碍，重点通过不同研究结果对比分析层间黏结、流变行为、抗压/抗折/抗拉性能、标准化与工程应用现状，未涉及独立样本队列实验。
研究结果可概括如下。
Technological advancements in additive manufacturing：研究人员总结了建筑3D打印的主要工艺路线。轮廓成型（CC）具有成形速度快、表面质量高、可嵌入管线与部分内装构件等优势，但仍与传统施工流程存在一定耦合。混凝土打印（CP）依赖连续挤出路径实现大尺度构筑，适于复杂形状与定制化建筑部件。熔融沉积成型（FDM）因成本低、操作简便、材料来源广，在聚合物构件、模板与原型制造中优势明显。选择性激光烧结（SLS）和粘结剂喷射（BJ）可处理金属、陶瓷及聚合物等材料，适于高精度复杂构件，但设备与后处理成本较高。D-Shape打印强调粉床与无机黏结体系在建筑构件中的潜力。机器人臂3D打印（RA3DP）则通过多轴自由度提升路径灵活性和几何自由度，是实现复杂空间形态与大尺寸构件打印的重要方向。
Advanced materials for additive manufacturing：文章指出，材料体系是建筑3D打印性能的决定性基础。水泥基与混凝土材料仍是当前建筑打印的主体，其中超高性能混凝土（UHPC）因高强、高韧和高耐久性而受到重视。聚合物材料凭借可加工性、低成本及热机械性能可调，广泛用于FDM等工艺。金属材料为功能化与高性能构件制造提供可能，但仍受残余应力、各向异性与缺陷控制等问题限制。生物基与可持续材料则体现出减碳与循环利用潜力，如PLA、生物复合材料及农业副产物再利用等，为绿色建造提供新材料路径。
Applications of 3D printing in modern construction：研究人员归纳出建筑3D打印在住宅与商业建筑、基础设施以及灾后安置和保障性住房中的应用价值。相关案例表明，3D打印可实现快速建造、复杂构件集成与个性化设计，特别适用于需要快速部署、成本受限或形体复杂的应用场景。其在墙体、外维护结构、桥梁及城市公共设施中的应用，体现出施工自动化与设计自由度提升的双重优势。
Performance evaluation and standards：该部分是全文的重要技术支撑。
Testing and evaluation of the strength, flexibility, and durability of 3D printed structures：研究人员指出，建筑3D打印构件的可靠性必须通过抗压、抗折、抗拉、劈裂、剪切及耐久性等测试综合评价，尤其应关注层间界面这一薄弱环节。
Fresh-state test：通过梳理流动度、密度、凝结时间、静态/动态屈服应力和可建造性研究可知，新拌态材料需在可挤出性与成形稳定性之间实现平衡，触变性是关键性能。
Compressive strength：文中总结表明，3D打印混凝土的抗压强度明显受打印方向、受载方向、挤出压实效应和试件取样高度影响，呈现显著各向异性。
Flexural strength：抗折性能同样依赖层间黏结质量，平行层间受弯时更易诱发分层与裂缝扩展。
Tensile and splitting strength：抗拉与劈裂抗拉强度通常低于浇筑混凝土，主要原因在于界面孔隙、沉积不连续与层间融合不足。
Long-term performance studies of 3D printed materials in various environmental conditions：长期服役性能研究显示，海水、酸性环境、潮湿工况等会影响打印材料的力学保持率与耐久性，因此环境适应性评估不可缺失。
Overview of current standards and guidelines governing 3D printed construction materials：研究人员强调，目前该领域仍缺乏统一、成熟的标准体系，尤其在可打印性、层间黏结与长期可靠性评价方面亟须标准化。
Environment and economic impact：文章总结认为，3D打印的环境与经济优势主要体现在精准用料、减少模板、降低施工废弃物、缩短工期和减少人工投入。关于碳排放，3D打印具有减排潜力，但实际效应仍受胶凝材料用量、运输距离及材料类型影响；因此，低碳胶凝体系、再生骨料、地聚物和生物基增强材料被视为重要发展方向。
Challenges and future directions：研究人员归纳的主要瓶颈包括层间黏结不足、收缩与开裂、纤维增强与可泵送/可挤出性的矛盾、设备与运行成本高、熟练操作人员短缺以及缺乏完善规范。未来方向则集中于智能化与自动化施工、机器人与人工智能（AI）融合、实时监测、材料信息学、拓扑优化、低碳材料开发和更完善的设计准则。
讨论部分总结：全文讨论集中表明，建筑3D打印并非单一设备升级，而是打印工艺、材料设计、结构性能、施工组织、环境评估与监管体系的协同问题。现阶段其优势已在复杂构件制造、快速施工和资源节约方面得到充分展示，但制约其走向大规模应用的核心仍是材料—工艺—结构之间的不匹配，尤其是层间界面控制和标准化验证不足。文章据此强调，多学科协同是推动该技术成熟化的必要条件。
研究结论翻译：增材制造（AM）具有改变建筑业的强大潜力，可通过轮廓成型（CC）、混凝土打印（CP）、粘结剂喷射（BJ）、D-Shape打印和机器人臂3D打印（RA3DP）等技术，实现自动化、数字化控制和高效率的施工过程。这些技术能够制造复杂建筑形态，降低对模板的依赖，减少人工劳动，缩短施工时间，并支持定制化建筑构件的快速大规模生产。AM还可通过减少材料浪费、优化资源利用以及促进再生材料、生物基材料、地聚物材料和低碳材料的应用来支持可持续性。水泥基复合材料、超高性能混凝土（UHPC）、聚合物、金属、生物基复合材料和再生骨料等先进材料，对于提升可打印性、力学强度、耐久性和长期结构性能至关重要。然而，更广泛的应用仍受到材料相容性、设备及运行成本高、层间黏结薄弱、收缩缺陷、配筋整合困难、熟练操作人员不足以及监管标准不完善等因素限制。因此，亟须建立关于可打印性、抗压强度、抗拉强度、抗折强度、抗剪性能、层间黏结强度、耐久性和长期可靠性的标准化测试方法。AM尤其适用于保障性住房、灾后庇护、基础设施建设和可持续城市建造。未来进展应聚焦于自动化、人工智能、机器人、实时监测、可持续材料开发和数字化设计优化。总体而言，工程师、材料科学家、建筑师、机器人专家、政策制定者与施工实践者之间的多学科协作，是推动AM从实验性应用迈向主流、可持续、高效且具韧性建造实践的关键。
