3D打印技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用與前景

張 皓 安宇塵

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

?

3D打印技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用與前景

張 皓 安宇塵

(東北林業(yè)大學(xué)，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(shù)在建筑工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出3D打印建筑具有成本低、工期短、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊。

3D打印建筑，建筑工程，打印技術(shù)

3D打印(3 Dimensional Printing)自問(wèn)世以來(lái)便受到了廣泛關(guān)注，它不同于普通打印機(jī)以墨水和紙張為主進(jìn)行生產(chǎn)工作，而是以金屬、陶瓷、塑料、砂等實(shí)實(shí)在在的原材料進(jìn)行生產(chǎn)工作。隨著時(shí)代的發(fā)展，“綠色建筑”“生態(tài)建筑”“環(huán)保建筑”等這些新興理念在建筑領(lǐng)域得到了廣泛的宣傳，通過(guò)3D打印技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品能夠滿足建筑領(lǐng)域的使用。它不僅滿足國(guó)家提出的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的要求，更是為我國(guó)建筑業(yè)發(fā)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(shù)的一種，其實(shí)質(zhì)是增材制造技術(shù)，它是制造業(yè)領(lǐng)域的一項(xiàng)新興技術(shù)，又被稱作“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”。它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。根據(jù)成型原理的不同，3D打印技術(shù)分為以下五種：SLA(立體平版印刷)技術(shù)，F(xiàn)DM(融化沉積)技術(shù)，SLS(分層激光燒結(jié))技術(shù)，LOM(逐層輪廓成型)技術(shù)和SGC(光掩膜)技術(shù)。

2 3D打印建筑的優(yōu)勢(shì)

眾所周知，一個(gè)新興方向的發(fā)展必然是有優(yōu)點(diǎn)，并且提供更方便的工作使用狀態(tài)。3D打印建筑的優(yōu)勢(shì)可以歸結(jié)為以下三點(diǎn)：

1)實(shí)物化，縮短工期。在建設(shè)過(guò)程中，安全性是一個(gè)重要問(wèn)題，通過(guò)3D打印技術(shù)制作出的建筑構(gòu)件能夠滿足安全性的要求。

并且，在建筑設(shè)計(jì)階段，通過(guò)BIM軟件建立的模型即使已經(jīng)足夠具體化但在實(shí)際操作中還需要人們想象。由3D打印技術(shù)制作出的實(shí)物模型可以完美解決該問(wèn)題，徹底實(shí)現(xiàn)將想象化為具體，為施工帶來(lái)極大的便利。此外，3D打印建筑將復(fù)雜變具體，解決了傳統(tǒng)建設(shè)施工中的一系列繁瑣程序，實(shí)現(xiàn)了一體化操作，加快了建筑效率，節(jié)省了工期。

2)消化建筑垃圾。傳統(tǒng)的建設(shè)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(huì)產(chǎn)生很多的建筑垃圾，建筑垃圾的增多卻無(wú)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(xiàn)是對(duì)類似產(chǎn)品的回收再利用，它實(shí)現(xiàn)了重復(fù)利用的原則，更具有就地取材的優(yōu)勢(shì)。這種方法正好解決了中國(guó)建筑當(dāng)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(hù)環(huán)境。3D打印建筑的“油墨”價(jià)格低，在生產(chǎn)“油墨”過(guò)程中它省去了制造傳統(tǒng)建筑材料過(guò)程中的中間過(guò)程，最終促使在建設(shè)過(guò)程中總成本可降低50%～60%。并且在建造過(guò)程中3D 打印技術(shù)數(shù)字化操作過(guò)程無(wú)噪聲，不產(chǎn)生揚(yáng)塵，有助于保護(hù)環(huán)境，更加的宜人宜居。

3 3D打印技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)應(yīng)用的十分廣泛，在建筑領(lǐng)域中如果有完整的規(guī)范，它將有替代傳統(tǒng)建筑方法的趨勢(shì)。隨著信息資源的共享交流加快，許多方面都與國(guó)際逐漸接軌，因此人們?cè)谏钤S多方面都有越來(lái)越多的要求，在建筑領(lǐng)域也不例外，新型的建筑設(shè)計(jì)要求越發(fā)復(fù)雜化，3D打印技術(shù)促進(jìn)了建筑領(lǐng)域的發(fā)展也成為了現(xiàn)在必不可少的新工具。

3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要分為兩個(gè)方面：建筑設(shè)計(jì)階段和工程施工階段。建筑設(shè)計(jì)階段主要是制作建筑模型，在這個(gè)階段設(shè)計(jì)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(shù)建造建筑，通過(guò)“油墨”即可快速完成工作。這樣節(jié)省能耗，有利于推進(jìn)城市化進(jìn)程和城鎮(zhèn)化建設(shè)。但3D打印建筑也還有如下問(wèn)題需要我們解決：

1)打印機(jī)器的限制。3D打印技術(shù)在靜態(tài)形狀的處理上很完美，但在動(dòng)態(tài)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(jī)進(jìn)行工作學(xué)習(xí)，而且我們有個(gè)根本性常識(shí)就是圖紙?jiān)酱蟪鰣D的機(jī)器越大，如果同理應(yīng)用于3D打印中，那機(jī)器需要比建筑物大。機(jī)器越大越難生產(chǎn)而且精度和工作效率會(huì)隨之降低，因此現(xiàn)階段這個(gè)問(wèn)題急需解決。

2)3D打印建筑的安全問(wèn)題。首先，通過(guò)3D打印技術(shù)制造出的房屋結(jié)構(gòu)是否與傳統(tǒng)行業(yè)制造出的一樣堅(jiān)固還需我們長(zhǎng)期的驗(yàn)證。其次，建筑的抗震性是否滿足要求。一般來(lái)說(shuō)，因?yàn)槭褂靡恍┏p全新材料，打印房子的自重小于傳統(tǒng)房屋，但還是會(huì)有自重變大的情況，所以值得考慮該問(wèn)題。最后，建筑的耐撞擊性也需要國(guó)家出臺(tái)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)一步檢驗(yàn)。

3)建筑物高度與施工工藝問(wèn)題。3D打印建筑的能力當(dāng)前仍停留在平面擴(kuò)展階段，因此低層建筑使用3D打印技術(shù)多。但對(duì)于高層建筑，需要通過(guò)3D打印制造后經(jīng)過(guò)組裝來(lái)實(shí)現(xiàn)，較不便利。在施工工藝問(wèn)題上，經(jīng)3D打印基礎(chǔ)制造出的模型略粗糙，表面凹凸不平，應(yīng)該在打印階段就處理好，將其抹平。同時(shí)，在打印過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件的配筋也是我們需要考慮的綜合性問(wèn)題。

4 3D打印在建筑工程領(lǐng)域的前景

一百多年的時(shí)間里，經(jīng)過(guò)鋼筋混凝土和現(xiàn)代建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，世界已經(jīng)發(fā)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(gè)角落。3D打印技術(shù)從發(fā)明到現(xiàn)在僅僅是幾十年時(shí)間，即使現(xiàn)在還屬于探索時(shí)期但還有許多有價(jià)值的發(fā)現(xiàn)等待我們挖掘，我們一定有理由相信3D打印建筑的時(shí)代終將來(lái)臨。

1)3D打印建筑的成本比傳統(tǒng)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(shè)時(shí)間短，20 h可以打印出來(lái)一所300 m2的房屋，在自然災(zāi)害等突發(fā)狀況發(fā)生后十分適用。并且它可操控性強(qiáng)，可以定制成不規(guī)則的建筑物及構(gòu)筑物，在滿足規(guī)范后甚至可以用于建造別墅、農(nóng)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(tǒng)建筑的單一外觀問(wèn)題，現(xiàn)在已經(jīng)可以制造出曲面造型。設(shè)計(jì)師在未來(lái)可以通過(guò)想象創(chuàng)造建筑，在改變建筑結(jié)構(gòu)形式的同時(shí)也為建筑領(lǐng)域的發(fā)展增添了新的活力。這些新的活力也會(huì)促進(jìn)其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如信息技術(shù)、BIM、材料科學(xué)，如果3D打印建筑在未來(lái)得到普及，那它的影響力將會(huì)無(wú)窮。

3)未來(lái)的3D打印機(jī)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(jī)，因此建筑物的處理上具有更大的靈活性。同時(shí)，遠(yuǎn)程操作功能若使用在3D打印機(jī)上，那么人工耗時(shí)又會(huì)有一定的降低。總之，隨著技術(shù)的不斷完善，3D打印建筑將變得越來(lái)越便利。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，3D打印建筑進(jìn)行的簡(jiǎn)易建筑的拼裝制造已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但是這種技術(shù)研究還剛剛起步，它本身還有一些技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有解決。3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域已經(jīng)讓人們看到它的未來(lái)并隨之驚喜，可是我們還需要對(duì)這種技術(shù)進(jìn)行思考，比如如何控制原材料價(jià)格使成本更低；如何建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系來(lái)適應(yīng)我國(guó)國(guó)情發(fā)展；如何鼓勵(lì)推廣企業(yè)采用3D打印建筑建造技術(shù)；如何突破核心技術(shù)。我們有理由相信，一個(gè)以“制作簡(jiǎn)單、環(huán)保、低成本”為宗旨的3D打印技術(shù)會(huì)顛覆傳統(tǒng)建筑業(yè)，必將廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域成為行業(yè)乃至世界的新標(biāo)桿。

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

[2] 鄧國(guó)平.建筑3D打印：從概念到現(xiàn)實(shí)[N].中國(guó)建設(shè)報(bào)，2014-05-16.

[3] 丁烈云， 徐 捷，覃亞偉.建筑3D打印數(shù)字建造技術(shù)研究應(yīng)用綜述[J].土木工程與管理學(xué)報(bào)，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

A