基于3D 打印技术的建筑构件定制化生产工艺与性能研究

引言

建筑行业正面临着从传统建造方式向智能化、工业化方向转变的重要阶段。3D 打印技术作为一种新兴的制造技术，以其独特的优势逐渐在建筑领域崭露头角。传统建筑构件生产方式往往难以满足复杂、个性化的设计需求，且存在生产周期长、成本高、资源浪费等问题。而 3D 打印技术能够依据建筑设计的精确要求，实现建筑构件的定制化生产，大大缩短生产周期，提高材料利用率。3D 打印技术在建筑构件定制化生产中的应用，不仅改变了建筑构件的制造模式，还为建筑设计带来了更多的可能性。设计师可以突破传统制造工艺的限制，创造出更加复杂、新颖的建筑形态。然而，目前 3D 打印技术在建筑领域的应用仍处于发展阶段，其生产工艺和构件性能等方面还存在诸多需要深入研究的问题。因此，开展基于 3D 打印技术的建筑构件定制化生产工艺与性能研究具有重要的现实意义。

一、基于3D 打印技术的建筑构件定制化生产工艺

1. 3D 打印技术原理与特点

3D 打印技术，又称增材制造技术，是一种基于离散 - 堆积原理的制造方法。它通过将三维模型数据进行分层处理，然后按照每层的轮廓信息，通过逐层堆积材料的方式来制造三维实体。与传统的减材制造方法相比，3D 打印技术具有显著的特点。

3D 打印技术具有高度的灵活性和定制性。它可以根据不同的设计需求，快速制造出各种形状和尺寸的建筑构件，无需复杂的模具和工装。该技术能够实现复杂结构的制造。对于一些具有内部空腔、异形曲面等复杂结构的建筑构件，传统制造方法往往难以实现，而 3D 打印技术可以轻松应对。3D 打印技术还具有生产周期短、材料利用率高、环保等优点。它可以减少材料的浪费，降低生产成本，同时减少对环境的影响。

2. 建筑构件定制化生产工艺流程

基于 3D 打印技术的建筑构件定制化生产工艺流程主要包括以下几个关键环节。

第一步是三维模型设计。设计师依据建筑结构体系与功能需求，采用BIM（建筑信息模型）与CAD 集成技术构建高精度三维数字模型。设计过程中需综合考虑构件的结构受力特性、节点连接方式、热工性能及装配公差，确保模型具备可打印性与工程适用性。拓扑优化与参数化设计方法的应用可进一步提升构件轻量化与性能协同水平。

第二步是模型数据处理。将三维模型导入切片软件进行分层处理，生成 G代码等可执行的路径指令。需精确设定切片层厚（通常为 5-15mm ）、打印路径规划、填充密度（常用 15%-30% ）及支撑结构布局，以平衡打印效率、材料消耗与结构完整性。高精度路径算法可有效减少层间错位与几何偏差。

第三步是材料准备。根据构件服役环境与力学要求，优选适宜的打印基材。当前主流材料包括快硬型水泥基复合材料、纤维增强混凝土、工程塑料（如ABS、PLA）及金属粉末（如不锈钢、钛合金）。材料需经计量、搅拌、均质化与流变调控等预处理工序，确保其具备良好的可挤出性、层间粘结性与早期强度发展特性。

第四步是 3D 打印过程。将生成的控制文件导入建筑级 3D 打印设备（如龙门式或机械臂式打印机），在数控系统驱动下逐层沉积材料。打印过程中需实时监控挤出压力、层间温度、定位精度及形变反馈，必要时引入在线传感与闭环控制系统，保障成型稳定性与几何精度。大型构件常采用分段打印与现场拼装结合的工艺策略。

最后一步是后处理。打印完成后，需清除支撑结构，对构件表面进行机械打磨、抛光或喷砂处理，以提升平整度与美观性。根据使用需求实施养护（如蒸汽养护）、表面防水涂层施加或防火处理。最终通过非接触式测量（如三维激光扫描）与无损检测（如超声波）手段进行尺寸精度与内部缺陷评估，确保

构件满足设计规范与验收标准。

二、基于3D 打印技术的建筑构件性能研究

1. 力学性能研究

力学性能是衡量建筑构件结构可靠性与服役安全性的核心指标。3D 打印建筑构件的力学性能受材料本构特性、工艺参数及结构构型等多因素耦合作用。打印材料的组分与微观结构直接决定其宏观力学响应，如快硬水泥基材料具备优良抗压强度（可达 80--120MPa ），但脆性大、抗拉强度不足（通常<4MPa ）；而金属打印材料（如 316L 不锈钢或 Ti-6Al-4V）则兼具高抗拉强度 χgtrsim500MPa ）与良好延展性。纤维掺杂或纳米改性可显著提升复合材料的韧性与抗裂性能。工艺参数中，打印速度、层厚、喷嘴直径及层间停留时间影响材料层间融合质量与孔隙率，过高的打印速度易导致层间粘结弱化，形成薄弱界面，降低抗剪与抗弯性能；优化路径规划与温度控制有助于提升层间结合强度，改善整体性。此外，构件几何拓扑对力学行为具有显著影响，非均匀截面、曲率突变或悬臂结构易引发局部应力集中，削弱承载能力。通过有限元模拟与拓扑优化，可在设计阶段实现力学性能导向的结构定制。综合材料优选、工艺调控与结构优化，可有效提升3D 打印构件的抗压、抗拉、抗弯及疲劳性能，满足建筑结构的承载与耐久性要求。

2. 耐久性研究

建筑构件的耐久性是指其在服役周期内抵抗环境侵蚀、物理磨损与化学劣化等多重作用的能力，是保障结构长期性能稳定的关键指标。3D 打印建筑构件由于层积成型工艺特性，层间界面易形成微裂纹与孔隙，成为水分、氯离子及二氧化碳等侵蚀介质的优先渗透通道，显著影响其耐久性。在复杂环境条件下，湿热循环、冻融作用及干湿交替会加剧材料内部微结构退化，导致界面弱化与强度衰减；高紫外线辐射和高温环境则可能引发有机添加剂老化或聚合物基体降解，尤其在水泥基或复合材料中表现显著。打印材料本身的化学稳定性、抗碳化与抗氯离子渗透能力直接决定其长期性能演化规律，因此需优选具有低水胶比、高致密性及掺入矿物掺合料（如粉煤灰、硅灰）或纳米改性剂的材料体系。此外，构件表面层的几何连续性与致密性对耐久性具有重要影响，优化打印路径与后处理工艺（如打磨、蒸汽养护）可有效降低表面缺陷密度。施加功能性防护涂层（如防水膜、耐候性聚合物涂层）可进一步阻断环境介质侵入路径。通过多尺度耐久性评估与环境适应性设计，可显著提升 3D 打印构件在严苛服役条件下的长期稳定性与结构可靠性。

结论

本研究对基于 3D 打印技术的建筑构件定制化生产工艺与性能进行了系统的研究。研究结果表明，3D 打印技术在建筑构件定制化生产中具有显著的优势。它能够实现建筑构件的高度定制化，突破传统制造工艺的限制，为建筑设计带来更多的创新空间。该技术还具有生产周期短、材料利用率高、环保等优点。未来，随着 3D 打印技术的不断发展和完善，以及相关研究的深入开展，3D 打印技术有望在建筑行业得到更广泛的应用。通过不断改进生产工艺和提高构件性能，3D 打印技术将为建筑行业的可持续发展做出重要贡献。

参考文献

[1] 李森萍 , 冯建行 . 建筑复杂构件 3D 打印的传统工艺技术优化设计 [J]. 粘接 ,2022,49(09):111-114.

[2] 王磊 .3D 打印技术在房建复杂构件生产中的应用研究 [J]. 中国建筑金属结构 ,2025,24(14):70-72.