基于混凝土3D打印的空间双曲型市政建筑设计和建造
Architectural design and construction of concrete 3D printed spatial hyperbolic municipal structures
关键词：
混凝土3D打印；打印工艺；自适应切分；路径规划；施工安装
Key words：
Concrete 3D printed; Printing process; Adaptive segmentation; Path planning; Construction and installation
刊期：
2026年第5期
DOI：
10.19761/j.1000-4637.25060291
文章编号：
基金项目：
国家重点研发计划项目（2024YFB4610000）；陕西省科协青年人才托举计划项目（20230218）；陕西省交通运输厅科研项目（23-42K）；陕西省创新能力支撑计划项目（2023-CX-PT-29）；陕西省创新能力支撑计划项目（2023-CX-TD-41）。
作者：
柏松林1，2，姚晓飞 1，*，杨 敏 1，刘世龙 1，肖建庄 2，*，丁 陶 2
单位：
1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710065；2.同济大学 土木工程学院， 上海 200092
摘要
摘 要：以某混凝土3D打印空间双曲型市政建筑项目为依托，阐述了复杂双曲型市政建筑的3D打印设计方法、材料优化、打印工艺及建造技术，通过参数化衍生设计构建柱子屋面一体化拱形结构体系，采用NURBS曲面重构算法实现了围护结构三向节点的自适应切分，提出了动态法平面迭代细分策略，解决了异形构件打印路径规划难题。采用 3D打印纤维增强混凝土，通过非均匀层积工艺控制三向节点打印精度，结合堆砂支撑完成了大悬挑屋盖的打印。建立了混凝土3D打印结构-钢结构协同安装体系，打印-浇筑复合增强结构使屋面承载力提升近100%。工程实践表明，基于混凝土3D打印技术的分层递进式施工工艺，可实现双曲型建筑结构的精准成型与高效装配。
Abstract: Taking a concrete 3D printed spatial hyperbolic municipal structures project as the research object, the 3D printed design methodology, material optimization, printing techniques, and construction technologies of 3D printing for complex hyperbolic municipal structures were elaborated. Through parametric generative design, an integrated column-roof arch structural system was established. NURBS surface reconstruction algorithms were employed to achieve adaptive segmentation of ternary branching structure, and a dynamic normal-plane iterative subdivision strategy was proposed to resolve path planning challenges for non-uniform component printing. The printing of large cantilevered roof was completed by using 3D printing of fiber-reinforced concrete, controlling the printing accuracy of ternary branching structures through non-uniform layering technology, and combining with sand pile supports. A collaborative installation system integrating concrete 3D printing and steel structures was established, where the roof load-bearing capacity increased by nearly 100% by composite-enhanced printed-cast components. Engineering practice demonstrates that the hierarchical progressive construction process based on concrete 3D printing enables precise forming and efficient assembly of hyperbolic structures.
结论
（1）混凝土3D打印技术能够突破传统建造方式对空间双曲型结构的形态限制，通过参数化衍生设计实现了曲率连续变化的房屋拱形结构建造，验证了该技术在高自由度异形建筑中的工程适用性。
（2）该项目所提出的自适应切分策略与非均匀层积工艺，结合3D打印系统的高精度控制，解决了三向节点打印与双曲面屋盖分块难题，为复杂几何形体的数字化建造提供了创新方法。
（3）该项目所建立的混凝土3D打印结构-钢结构协同安装体系，通过预埋式机械连接与双夹板螺杆连接，实现了3D打印构件与钢骨架的高效装配，形成打印-浇筑复合增强结构，其屋面承载力提升近100%，为建筑结构的功能-形态一体化建造提供成功案例。
（4）该项目的成功实践，不仅拓展了混凝土3D打印技术在异形结构建筑中的应用场景，其参数化设计方法、打印工艺及建造经验，还可为建筑形态创新与3D打印技术的融合发展提供重要参考。
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引用本文
柏松林,姚晓飞,杨敏,等.基于混凝土3D打印的空间双曲型市政建筑设计和建造[J].混凝土与水泥制品,2026,53(5):1-7. BAI S L,YAO X F,YANG M,et al.Architectural design and construction of concrete 3D printed spatial hyperbolic municipal structures[J].China Concrete and Cement Products,2026,53(5):1-7 (in Chinese).
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