探究3D打印技术在建筑领域的应用及展望

探究3D打印技术在建筑领域的应用及展望

韩巡巡

韩巡巡

摘要：3D打印技术是通过类似“打印”原理的机械设备，采用分层加工、叠加成型的方式逐层加材料来制造出立体实物的技术，相比传统的制造模式，这种“增材制造”模式在节约材料、节省时间、减少废料的产生等方面有诸多优势。尽管该技术在材料和工程技术方面的研究应用已取得了不少进步，但从整个建筑行业中的设计建造实践来看，它仍处于待开发的状态。

关键词：3D打印技术；建筑领域；应用展望

13D打印在建筑行业应用中的问题

第一，3D打印建筑所面临最大的问题是，在我国乃至国际上还未有具备执行力的相关行业规范。虽然在建筑的空间组织方面，譬如空间尺寸、平面布局、管线排布等，3D打印的建筑大可参照现行的一系列标准，而当涉及到建筑材料和结构相关的可靠度、荷载、隔热保温、抗灾抗震等领域，仍缺少对应3D打印建筑可借鉴的各种指标。现已有少量实验能证明3D打印建筑部件的部分理化性能与某些现有建筑材料相当，经过适当的折算可用于房屋围护墙等构件。不难想象，各种新材料最终都能逐步地获得相应的使用标准。但就目前而言，针对3D打印这种新型设计建造模式的规范相对滞后，使相关实践面临项目各方责任不明确，各项审核验收难以执行。

第二，3D打印建筑仍存在不少工艺问题。譬如，相比使用树脂、塑料、金属粉末等打印的轻型工业产品，基于水泥的建材打印工艺不够精细，再加上逐层堆叠的打印对材料表面粗糙度的要求，使得建筑物的美观程度大打折扣。再者，鉴于打印机构造及其工作原理，打印的建筑物受到严格的尺寸限制。另一方面，3D打印建筑容错性极低，其打印过程不可逆，这无疑增加了设计和技术操作上的难度。当然，尺寸上的限制和容错率过低的问题可以通过小型部件的打印并加以人工装配得以解决，但这与传统工业制造和施工过程相比也并无不可替代的优势。

23D打印技术在建筑行业的优势

2.13D打印技术突破传统建筑施工复杂性难题

3D打印技术应用于建筑行业，打破了传统设计方式在建筑形状上的禁锢，3D打印技术更加立体，形状更具有多样性，众多优势吸引着国内外建筑行业巨头的目光。3D打印技术能够一次成型复杂的建筑结构形状，完成建筑设计师在建筑设计过程中的奇思妙想，完成传统建筑无法完成的复杂设计结构，为将来城市建筑的合理布局奠定了强有力的技术支持。伴随着城市化进程的加快，建筑行业持续发展，适应现代化节奏发展的3D打印技术必将引领建筑行业新潮。

2.23D打印技术符合现代环保简约主题

（1）传统建筑行业会使用大量建筑材料，在建设中制造大量垃圾，而3D打印技术可重复使用建筑材料的同时，还可以消耗原有的建筑垃圾，极大地解决了城市建筑污染，更好地节省了建筑材料。近日，在上海青浦打印出的10栋房屋，是以建筑垃圾为原料，这极大地解决了城市污染问题。（2）3D打印建筑可以在工厂生产，在既定的工厂完成建筑构件再运进城市组装，这极大地解决了运输过程中的污染和浪费现象。

2.3解放劳动力，大幅降低了建筑用人成本

3D技术的兴起，必将带起建筑行业的整体改革。在劳务用人方面，对建筑工人知识结构水平及业务水平要求更高，大幅降低了人工成本。3D技术必将引起建筑行业人力资源的改革。

2.4提高建筑效率

对于普通施工来说，一项工程建设常伴随着大量的支、绑、浇等复杂而又繁琐的施工方式，对施工进度、施工规划、安全检查、人员调度以及建筑预算等有着巨大的影响，需要大量的人员调配、策划时间、检验工序来确定施工方式是否合格。而对于3D打印来说，是将大量繁琐的施工工序通过计算机数据整合进行统一化，达到一体化施工使建筑物能快速成型，在工期上达到极大缩减。这在一定程度上减少了工程的运输成本，材料浪费及人力资源的利用，在缩短工期的同时也减少这建筑成本的投入。

3建筑领域3D打印技术的应用实践

3.1建筑模型制作

如前所述，3D打印应用范围十分广泛，很多领域、行业都有一定涉及。在建筑业中，3D打印技术的出现和应用有彻底取代以往做法的趋势。目前，住房要求日趋升高，为满足建筑使用要求，往往要进行复杂化设计，而在设计过程中必然会用到模型，但传统意义上的模型制作技术已无法满足建筑师要求，表现为以蓝图为主，无实物。因此，3D打印一经出现就得到了建筑师们的高度重视。八十年代中期，3D打印机诞生，而且在同年就利用这一打印机制作了简易建筑模型实体。通过多年的改进和发展，3D打印建筑模型的技术已经十分成熟，其操作过程实际上并不复杂，仅需在电脑中输入建筑的相关参数，并将所需材料按一定规律添加至3D打印机，点击开始打印的按钮，即可得到与电脑显示完全相同的实体模型，而且整个过程不需要很长的时间，最快几分钟就能完成，极大的提高了设计效率。利用通过3D打印得到的实体模型，除了能帮助开发商销售，还能为消费者提供实物，从而更好的选择购买。

3.2实体建筑打印

LGM是美国的一家以大型3D打印机为核心技术的公司，将黏结剂有选择性的喷射在石膏粉上，以此为不同客户提供模型制作服务，如建筑概念模型、建筑结构模型、建筑地形模型等。英国建筑师在掌握3D打印技术内涵的基础上，致力于采用金属、水泥和陶瓷等材料打印出实体建筑。比如对材料构成复杂的墙体进行打印，不仅无需单独加工，一次成型，而且门窗预留洞、预埋件等一步到位，省去了大部分步骤。又以“EnricoDini”3D打印机为例，它拥有百余个喷嘴，通过对黏结剂的喷射使镁粉与砂充分黏结，由它打印而成的构件或建筑，在材质上和大理石相似，且强度比混凝土高，基本不需要设置钢筋来加固。该打印机的成型时间仅有普通方法的25%，同时能节省近一半的造价。在我国，3D打印建筑在14年8月成功交付使用，标志着3D打印建筑已经走向实用。在这些建筑中，墙体都是将废弃的建筑垃圾作为打印材料，在电脑上进行综合设计，根据图纸使用大型3D打印机通过逐层的喷绘和叠加形成，实现了3D打印和废弃材料二次利用的结合，而且共10幢这种3D打印建筑的总建造时间不超过24h。

3.3技术应用

3D打印建筑的墙体采用以水泥为原料的特殊油墨，通过打印机逐层叠加形成，在表面可以清楚看到叠加痕迹。建筑屋面、地面的打印材料均为处理后的由建筑垃圾制成的特殊混凝土，其强度与寿命都优于普通混凝土。此外，打印而成的空心墙结构极大的减轻了构件自重，可根据气候条件填充其它材料进行保温，为使用者提供了多元化的选择。由此可设想，不论是最常见的房屋建筑、建筑综合体还是桥梁等其它建筑实体，都可以借助3D打印技术实现快速建造。以房屋建筑为例，只要有适合的3D打印机，则仅需进行合理的设计、地基处理和选择适宜材料即可在很短的时间内制成建筑框架，然后再根据使用功能需求进行装饰装修、机电安装、管线布置，相信不会超过一个月就可以正式交付使用。此外，由此建造的建筑实体在充分利用废料、减少生产过程消耗和排放、降低成本等方面是传统建筑无法比拟的，更加贴合现阶段绿色环保、节能减排的建筑主题。

结论

3D打印技术根据成型技术不同对应有不同的打印原料和设备。3D打印技术目前已广泛应用于工业、航天航空、医疗、建筑及日常消费品等诸多领域，其中航天航空产品以及医疗产品本身具有较为特殊的设计要求，并具有较好的产品附加值，因此该领域方向是未来3D打印技术的一个重点发展领域。

参考文献

[1]黄健，姜山.3D打印技术将掀起“第三次工业革命”[J].新材料产业，2013（1）：62-67.

[2]周长春，王科峰，肖占文，等.3D打印技术在生物医学工程中的研究及应用[J].科技创新及应用，2014（21）：41-42.