3D打印技術在建筑工程領域的應用與前景

張 皓 安宇塵

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

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3D打印技術在建筑工程領域的應用與前景

張 皓 安宇塵

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

介紹了3D打印的概念及原理，分析了3D打印技術在建筑工程中的應用現狀，指出3D打印建筑具有成本低、工期短、環保等優勢，在建筑工程領域的應用前景非常廣闊。

3D打印建筑，建筑工程，打印技術

3D打印(3 Dimensional Printing)自問世以來便受到了廣泛關注，它不同于普通打印機以墨水和紙張為主進行生產工作，而是以金屬、陶瓷、塑料、砂等實實在在的原材料進行生產工作。隨著時代的發展，“綠色建筑”“生態建筑”“環保建筑”等這些新興理念在建筑領域得到了廣泛的宣傳，通過3D打印技術生產出來的產品能夠滿足建筑領域的使用。它不僅滿足國家提出的產業轉型的要求，更是為我國建筑業發展指明了方向。

1 3D打印的概念及其原理

3D打印是快速成型技術的一種，其實質是增材制造技術，它是制造業領域的一項新興技術，又被稱作“第三次工業革命的重要生產工具”。它以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。根據成型原理的不同，3D打印技術分為以下五種：SLA(立體平版印刷)技術，FDM(融化沉積)技術，SLS(分層激光燒結)技術，LOM(逐層輪廓成型)技術和SGC(光掩膜)技術。

2 3D打印建筑的優勢

眾所周知，一個新興方向的發展必然是有優點，并且提供更方便的工作使用狀態。3D打印建筑的優勢可以歸結為以下三點：

1)實物化，縮短工期。在建設過程中，安全性是一個重要問題，通過3D打印技術制作出的建筑構件能夠滿足安全性的要求。

并且，在建筑設計階段，通過BIM軟件建立的模型即使已經足夠具體化但在實際操作中還需要人們想象。由3D打印技術制作出的實物模型可以完美解決該問題，徹底實現將想象化為具體，為施工帶來極大的便利。此外，3D打印建筑將復雜變具體，解決了傳統建設施工中的一系列繁瑣程序，實現了一體化操作，加快了建筑效率，節省了工期。

2)消化建筑垃圾。傳統的建設施工中需要用到很多材料，如水泥、沙子、鋼筋、混凝土等等，在建筑完成后會產生很多的建筑垃圾，建筑垃圾的增多卻無法解決，帶給人們很大的壓力，不得不尋找改變此緊迫局面的方法。3D打印建筑材料，即“油墨”，它的出現是對類似產品的回收再利用，它實現了重復利用的原則，更具有就地取材的優勢。這種方法正好解決了中國建筑當前的“高耗能，粗放型”模式，它的推廣是必然的。

3)成本低廉，保護環境。3D打印建筑的“油墨”價格低，在生產“油墨”過程中它省去了制造傳統建筑材料過程中的中間過程，最終促使在建設過程中總成本可降低50%～60%。并且在建造過程中3D 打印技術數字化操作過程無噪聲，不產生揚塵，有助于保護環境，更加的宜人宜居。

3 3D打印技術在建筑工程中的應用

3D打印技術應用的十分廣泛，在建筑領域中如果有完整的規范，它將有替代傳統建筑方法的趨勢。隨著信息資源的共享交流加快，許多方面都與國際逐漸接軌，因此人們在生活許多方面都有越來越多的要求，在建筑領域也不例外，新型的建筑設計要求越發復雜化，3D打印技術促進了建筑領域的發展也成為了現在必不可少的新工具。

3D打印技術在建筑領域的應用主要分為兩個方面：建筑設計階段和工程施工階段。建筑設計階段主要是制作建筑模型，在這個階段設計師可以將虛擬模型直接打印為建筑模型；工程施工階段主要是利用3D打印技術建造建筑，通過“油墨”即可快速完成工作。這樣節省能耗，有利于推進城市化進程和城鎮化建設。但3D打印建筑也還有如下問題需要我們解決：

1)打印機器的限制。3D打印技術在靜態形狀的處理上很完美，但在動態形狀的處理上它的清晰度缺乏保證。日常生活中我們常用2D打印機進行工作學習，而且我們有個根本性常識就是圖紙越大出圖的機器越大，如果同理應用于3D打印中，那機器需要比建筑物大。機器越大越難生產而且精度和工作效率會隨之降低，因此現階段這個問題急需解決。

2)3D打印建筑的安全問題。首先，通過3D打印技術制造出的房屋結構是否與傳統行業制造出的一樣堅固還需我們長期的驗證。其次，建筑的抗震性是否滿足要求。一般來說，因為使用一些超輕全新材料，打印房子的自重小于傳統房屋，但還是會有自重變大的情況，所以值得考慮該問題。最后，建筑的耐撞擊性也需要國家出臺相應的標準來進一步檢驗。

3)建筑物高度與施工工藝問題。3D打印建筑的能力當前仍停留在平面擴展階段，因此低層建筑使用3D打印技術多。但對于高層建筑，需要通過3D打印制造后經過組裝來實現，較不便利。在施工工藝問題上，經3D打印基礎制造出的模型略粗糙，表面凹凸不平，應該在打印階段就處理好，將其抹平。同時，在打印過程中實現對構件的配筋也是我們需要考慮的綜合性問題。

4 3D打印在建筑工程領域的前景

一百多年的時間里，經過鋼筋混凝土和現代建設技術的發展，世界已經發生了巨大的變化，一座座摩天大樓堆砌的城市屹立在世界的各個角落。3D打印技術從發明到現在僅僅是幾十年時間，即使現在還屬于探索時期但還有許多有價值的發現等待我們挖掘，我們一定有理由相信3D打印建筑的時代終將來臨。

1)3D打印建筑的成本比傳統建筑低，它十分適用于貧困群體居住和緊急安置住房，因此具有一定的需求層面。3D打印建筑建設時間短，20 h可以打印出來一所300 m2的房屋，在自然災害等突發狀況發生后十分適用。并且它可操控性強，可以定制成不規則的建筑物及構筑物，在滿足規范后甚至可以用于建造別墅、農村住宅、高層住宅等，3D打印建筑需求層面還是可接受的。

2)3D打印建筑解決了傳統建筑的單一外觀問題，現在已經可以制造出曲面造型。設計師在未來可以通過想象創造建筑，在改變建筑結構形式的同時也為建筑領域的發展增添了新的活力。這些新的活力也會促進其他產業的發展，如信息技術、BIM、材料科學，如果3D打印建筑在未來得到普及，那它的影響力將會無窮。

3)未來的3D打印機可能變成將建筑物的管道、墻面抹灰、裝飾等多種功能合而為一的多功能打印機，因此建筑物的處理上具有更大的靈活性。同時，遠程操作功能若使用在3D打印機上，那么人工耗時又會有一定的降低。總之，隨著技術的不斷完善，3D打印建筑將變得越來越便利。

5 結語

現階段，3D打印建筑進行的簡易建筑的拼裝制造已經實現，但是這種技術研究還剛剛起步，它本身還有一些技術問題沒有解決。3D打印技術應用于建筑領域已經讓人們看到它的未來并隨之驚喜，可是我們還需要對這種技術進行思考，比如如何控制原材料價格使成本更低；如何建立相關標準體系來適應我國國情發展；如何鼓勵推廣企業采用3D打印建筑建造技術；如何突破核心技術。我們有理由相信，一個以“制作簡單、環保、低成本”為宗旨的3D打印技術會顛覆傳統建筑業，必將廣泛應用于建筑領域成為行業乃至世界的新標桿。

[1] 郭麗君.3D打印會“引爆”新工業革命嗎[J].中國科技投資，2013(4):18-19.

[2] 鄧國平.建筑3D打印：從概念到現實[N].中國建設報，2014-05-16.

[3] 丁烈云， 徐 捷，覃亞偉.建筑3D打印數字建造技術研究應用綜述[J].土木工程與管理學報，2015(9):1-9.

Application and prospect of 3D printing technology in the field of construction engineering

Zhang Hao An Yuchen

(NortheastForestryUniversity，Harbin150040，China)

The thesis introduces the concept and principles of 3D printing, analyzes the application status of 3D printing technology in building engineering, and finally points out its advantages, such as low cost, short construction duration and environmental protection and so on. Therefore, it will have wide application prospect in building engineering field.

3D printing building, building engineering, printing technology

1009-6825(2016)11-0017-02

2016-02-01

張 皓(1995- ),男，在讀本科生； 安宇塵(1995- )，女，在讀本科生

TU201.4

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