本文综述了3D打印技术在建筑领域的应用现状及未来发展，分析了不同类型的增材制造（AM）系统、材料性能与环保影响。通过对52篇同行评审文献的评估，揭示了建筑3D打印的技术配置、施工效率、成本节约等优势。文章还探讨了全球范围内的应用实例，涵盖了ICON、WASP、COBOD等公司的创新实践。面对技术挑战，未来发展将依赖于机器人技术、人工智能与建筑信息模型（BIM）的结合。该技术不仅为建筑行业带来了效率与可持续性提升，还推动了绿色建筑和循环经济的发展。
一项由厄瓜多尔拉斯美洲大学、厄瓜多尔中央大学和西班牙高级工程技术学院主导的范围审查详细阐述了建筑领域增材制造（AM）技术的现状。该研究发表在ScienceDirect上，评估了来自Scopus、Web of Science、ScienceDirect、IEEE Xplore、Taylor & Francis和ProQuest的52篇同行评审论文。采用PRISMA方法论，并重点关注过去十年的出版物，选择过程达到了91.9%的评审一致性，Cohen’s Kappa系数为0.463。该审查研究了AM系统配置、材料性能和实施挑战，并评估了与传统建筑相比的环境影响。
用于建筑的超大型3D打印采用龙门框架、机械臂或混合系统，逐层沉积混凝土、地质聚合物、粘土、金属或泡沫。这些工艺可将建筑时间缩短50-80%，并将材料使用量减少高达60%。基于龙门的打印机提供稳定的大体积生产，但灵活性有限，而机械臂系统则能够实现复杂的几何形状并提供适应性定位。龙门和机械臂组合等混合方法扩展了覆盖范围和形式多样性。弧焊增材制造（WAAM）用于不锈钢、钛合金、镍合金和马氏体钢，承担高强度结构角色。粉床融合工艺需要较高的能量和后处理需求；审查中的建筑研究和部署集中在挤出工艺，金属路线的工艺种类较少。定向能量沉积技术在每千克133兆焦耳的能量下，主要用于结构金属零件，而熔融沉积建模工艺则适用于聚合物和复合材料元素，能量消耗为0.36-63兆焦耳每千克。粘结喷射工艺虽然能量消耗较低，但因专用粘结剂的使用，仍带来环境成本。
该审查的比较数据展示了不同制造商在打印速度、构建体积和材料范围上的差异。COBOD的BOD2可以在14.6 × 50.5 × 8.1米的跨度上达到每秒1000毫米的打印速度。ICON的Vulcan II以每秒150毫米的速度打印，专注于模块化Lavacrete结构，但在屋顶制造方面存在限制。意大利公司WASP的Big Delta能够处理基于地球的砂浆和地质聚合物，打印高度可达12米，而Black Buffalo的龙门设备专注于利用先进混凝土配方进行垂直扩展。SQ4D整合了其专利的ARCS工艺，能快速完成大体积打印，而CyBe Construction生产多种适用于不同规模和机动性的砂浆打印机和机械臂。
增材制造技术在全球多个地区产生了重要影响，2022年进行了大量的相关项目。
材料选择直接影响机械性能和环境影响。水泥混合物，特别是波特兰水泥和地质聚合物，因其抗压强度、耐久性和与钢筋的兼容性而占主导地位。地质聚合物能够提高耐腐蚀性并减少嵌入碳。WAAM制造的金属提供高抗拉强度和抗压强度，同时具有延展性，但增加了重量，并且需要专业的加工技术。天然和改性粘土提供了良好的热稳定性和低成本，膨胀粘土则通过其多孔结构提供隔热性能。聚合物如PLA、ABS和增强复合材料具有轻量化和耐腐蚀性，但通常缺乏防火性能。泡沫混凝土和硅酸盐泡沫可用于制造轻质墙板，具有良好的热绝缘性能，但承载能力有限。所审查研究中的机械性能表明，材料的抗拉强度、延展性、耐腐蚀性、动态载荷性能和低收缩性等差异影响了结构设计。
环境分析将建筑领域的增材制造与联合国可持续发展目标（SDGs）中的八个目标关联：良好的健康与福祉（目标3）、清洁水与卫生（目标6）、可负担的清洁能源（目标7）、体面工作与经济增长（目标8）、产业、创新与基础设施（目标9）、可持续城市与社区（目标11）、负责任的消费与生产（目标12）、以及气候行动（目标13）。本地材料的采购减少了运输排放，而优化的几何形状减少了废物。使用可回收集料、地质聚合物或可降解聚合物将增材制造与循环经济原则相结合。
增材制造技术的配置示意图。图源：ScienceDirect。
技术限制仍然很大。层间结合性、极端气候的热绝缘性、抗震性，以及钢材或纺织加固材料的集成需要进一步发展。喷涂沉积工艺允许同步插入钢筋，并通过高压施加改善层间结合强度。双挤出系统能够同步进行混凝土打印的加固焊接，提高生产效率和强度。为提高流体交换、优化内部结构设计和实时固化控制而设计的多孔结构设计被认为是关键的研发方向。大规模打印机面临运输和安装挑战，而监管框架滞后于技术进展，导致建筑规范和安全标准尚未完全制定。CONPrint3D系统集成了BIM驱动的规划和横向成型元素，以几何精度放置新鲜混凝土。一种基于塔吊的概念采用了通过螺旋桨稳定的摆动挤出机，并采用深度强化学习进行轨迹控制；目前的结果仍为模拟结果。
未来的技术发展预计将整合机器人技术、人工智能和建筑信息模型（BIM），形成端到端的数字建筑工作流。基于低重力环境下利用月球土壤进行打印的太空应用，已开始进行离地面定居点的探索。高性能水泥混合物、复合材料配方和多材料打印系统的进展，可能会扩展增材制造在高层建筑和土木基础设施中的应用。作者总结道，虽然增材制造已经带来了可衡量的效率和可持续性提升，但其广泛应用仍将依赖于通过行业和政策协作解决技术、监管和后勤方面的障碍。
