淺析3D打印技術在建筑領域的發展及優缺點

文/蔣艷丹、吳凱、黃華 金陵科技學院 江蘇南京 211100

淺析3D打印技術在建筑領域的發展及優缺點

文/蔣艷丹、吳凱、黃華 金陵科技學院 江蘇南京 211100

3D打印技術對于我們并不陌生，它不僅可以打印小件物品，其在建筑領域的發展我們也有所耳聞。我就將3D打印建筑的發展歷程及其優缺點做一些簡單的分析。

3D打印；建筑；優缺點

一、3D打印技術的概念及發展

3D打印即快速形成技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎的，可以運用多種材料，例如粉末狀金屬或者塑料或者水泥等可粘合材料，利用通層打印方法來構造物體的技術。

3D打印技術的的一個里程碑是在1986年，Charles Hull率先提出的光固化方法，他創立的公司也在1988年生產出了全世界第一臺3D打印機。同年，美國人Scott Crump發明了另外的一種3D打印技術——熔融沉積造。三年后，C.R.Dechard發明了選擇性激光燒結法，它的原理是讓高強度激光把材料粉末燒結直至成型。在1993年，麻省理工大學教授Sachs發明了三維印刷工藝，把金屬、陶瓷這些材料磨成粉末，再噴射粘結將材料逐片成型，最后燒結成最終所需要的產品。這就是3D打印技術的發展過程。

二、3D打印建筑的優劣勢

（一）加工傳統方法難以加工的零件

在3D打印技術可以打印假肢、汽車、飛機的今天，它還在創造無限的可能。 首先3D打印技術可以加工傳統方法難以制造的零件。過去傳統的制造方法就是一個毛坯，把不需要的地方切除掉，是多維加工的，或者采用模具，把金屬和塑料融化灌進去得到這樣的零件，這樣對復雜的零部件來說加工起來非常困難。立體打印技術對于復雜零部件而言具有極大的優勢，立體打印技術可以打印非常復雜的東西。

（二）3D打印建筑出成果速度快

我們是學建筑學的，除了參與設計建筑之外，還會對建筑的施工建設階段有一定的了解。建筑的精髓在于設計，那么施工如果能做到完美，那么也可以看作是精華。一棟20層高的樓，快則半年，慢則一年才嫩施工完畢。但是3D打印建筑可以節省一大半的施工時間，因為零部件都是可以打印出來的，后期只要組合即可。

（三）強度比普通混凝土更高

3D打印建筑的墻體看上去就跟用水泥建造出來的一樣。與傳統建筑的墻體不同的是，3D打印的墻體呈現出年輪蛋糕般的螺紋結構，用手指敲敲墻體，可以聽到空空的聲音。打印建筑的3D打印機，其原理與小的打印機是一樣的。噴口噴射出的油墨呈“Z”字形排列，層層疊加，壘成墻體。澆到“墨水”的地方，砂石材料會在一天內固化。打印出來的建筑從頭到尾只是相當于一個個的“零部件”，但是傳統建筑是由很多個不同的磚塊以及混凝土、砂石以及水泥這些組合而成。因而利用3D技術打印出來的建筑在強度上會比混凝土強度更強。3D打印出來的建筑構件質量輕、強度高，為了加強墻體的牢固度，墻體內都采用了三角形的支撐結構，所以理論上其抗震效果也會更佳。

（四）3D打印出來的建筑成本更低，更環保

現在建造房屋的成本，主要有材料、人工和浪費三部分。而通過3D打印，可以以更低的造價、更快的工期造好房子。平層、兩層的建筑，可直接把建筑打印出來，運送到指定位置使用；如果是三層或以上建筑，可以先分開打印建筑的不同部分，然后運送到目的地，在地基上進行組裝。原材料多來源于建筑垃圾、工業垃圾等，可以就地取材，通過技術處理、加工、分離，使之成為3D打印建筑“油墨”的原材料，避免了沙子、石子等材料的運輸。而且，3D打印建筑不產生任何揚塵，也不產生建筑垃圾。

（五）3D打印的建筑更加自由

在上面我就提到過，打印出的建筑可以組合而成，在某一種程度上，他在設計和打印的時候，出坡了某些限制和約束，可以讓設計師在創作思路上有更大的想象和發揮空間，不如任意形狀的建筑、自由式的管道鋪設等等。

（六）3D打印的建筑更加精美，能與藝術完美融合

3D打印的好處就是可以將計算機中的設計精確轉化為實體，甚至直接制造零件或模具，一次成型整體樣件。也就是說，可以大大節省把設計轉化成模型的時間和金錢。傳統的成品模型都是通過機械切割、手工等方式制造，在精度和表現形式上有一定局限性，而使用3D打印機，不管多么復雜的設計模型，只要有相關的三維數據，3D打印機都可以精確地制造出來，而且速度要快很多，更能表現出設計者的藝術形式。

（七）與傳統建筑構造業取長補短

由于定制化市場得到激發，一些新的商業模式也隨之產生，建筑師可以利用在線定制的方式更活躍地參與到行業設計中，這將給建筑設計帶來更大的創意和施展空間。設計師設計的任何復雜的、高難度的、傳統制造方式不能生產的產品，利用3D打印都可以輕松地打印出來。但是，傳統制造業所擅長的批量化生產，恰恰是3D打印的短板。比較來看，3D打印技術擅長解決個性化、復雜化、高難度的生產技術，而傳統制造業則擅長的是批量化和規模化，彼此之間優劣態勢正好形成互補關系。

上面這些優點會給建筑行業帶來蓬勃的生機，但是就目前情況來看，3D打印建筑并沒有得到很好的發展，可能與以下因素有關：

一是技術太過年輕，并不成熟，據統計，3D打印機生產的產品中80%依舊是產品原型，僅有20%是最終產品。雖然3D打印機技術在21世紀初已取得不小的進步，比如材料增多、打印機和原材料價格逐漸下降，但在2012年左右，依舊是一項年輕的技術，在沒有變得更加成熟和廉價前，并不會被企業大規模采用。

二是暫缺行業標準，全面推廣仍處探索階段。現在，3D打印建筑要全面推廣，面臨的主要難題就是缺乏專門的國家標準，因此我們只能把現有的一些標準作為參考進行驗收。理論上3D打印建筑可以不需要鋼筋，但我國的建筑沒有鋼筋就無法驗收。因此，由于無法現場打印，其成本和效率都會受到一些影響。

三是打印材料受到限制。3D打印在建筑新材料開拓和建筑工藝上的創新探索值得稱贊，不過3D打印房屋要真正普及，恐怕還需斟酌。比如3D打印的“油墨”主要是由高標號水泥和玻璃纖維構成。而據我所知，某些國家禁止建筑大量使用玻璃纖維，因為玻璃纖維會影響人體呼吸系統。所以，材料選擇也成為一個難題。