3D打印技術在建筑領域的應用前景分析

成 莞 莞

(天津渤海職業技術學院，天津 300402)

3D打印技術在建筑領域的應用前景分析

成 莞 莞

(天津渤海職業技術學院，天津 300402)

通過介紹3D打印技術的概念、原理、所用材料以及應用范圍，對比分析了傳統建造技術和3D打印技術的優劣之處，總結了目前3D打印技術應用于建筑領域中存在的問題和解決思路，為3D打印建筑的研究、開發和應用提供了有益的思路。

3D打印，建筑領域，應用前景

1 概述

英國人在《第三次工業革命》一書中，將3D打印技術認定為第三次工業革命的重要標志之一，3D打印技術開始引起了人們的關注。3D打印行業被美國《時代》周刊評為“美國十大增長最快的工業”之一。目前該技術在建筑、工業設計、汽車、醫療產業、航天航空、工程和施工(AEC)和地理信息系統等領域得到了廣泛應用[1]。

當今，隨著全球經濟的飛速發展、社會的迅速進步和城市化進程的加快，未來建筑及結構將朝著造型獨特、輕質高強、綠色環保的新型建筑形式發展；同時，能源消耗高、犧牲能源換取效益的生產方式將難以為繼，建筑行業需要尋找新型的建造方式[2]。建筑3D打印技術應運而生，是一種解決該問題十分有效的途徑，它不僅滿足建筑行業“綠色建筑”“生態建筑”和“環保建筑”的理念，更是為我國建筑業的發展指明了方向。

2 3D打印概況

2.1 3D打印的概念

3D打印(3 Dimensional Printing)技術，又稱“增材制造”或“快速原型”技術，實質是快速成型技術。其作業過程是：首先，通過計算機軟件設計立體數字模型文件，再利用特定的打印成型設備(俗稱“3D打印機”)，用粉末化、絲化和液化的固體材料逐層“打印”再疊加成不同形狀連續層的方式來構造三維物體[3]，其設計和制作流程如圖1所示。

2.2 3D打印技術的成型形式

根據成型原理不同，3D打印技術成型形式主要有：SLA(激光固化光敏樹脂成型)、FDM(熔融擠壓堆積成型)、SLS(選擇性激光燒結成型)和LOM(分層實體成型)等。四種成型技術的對比特點如表1所示。3D打印技術所用的原材料是一種新型材料，主要有ABS塑料、PC、樹脂、石膏、尼龍、金屬和陶瓷等，這些材料與一般意義上的石膏、塑料和樹脂不同，其形態一般是粉末狀、絲狀和液態狀[4]。

3 3D打印建筑

3.1 3D打印建筑技術

在20世紀70年代，國外的一些發達國家就已經開始著手研究“自動化建筑”。1997年，美國學者Joseph Pegna提出了一種新的建筑構件建造方法，該方法適用于水泥材料逐層累加并選擇性凝固的自由形態構件[5]。從1998年開始，美國南加州大學教授Behrokh Khoshnevis一直致力于研究打印房子，其提出了“輪廓工藝[6,7]”的建筑3D打印技術。該技術通過利用大型三維擠出裝置并配備帶有抹刀的噴嘴，分層堆積打印混凝土。2007年，英國Monolite公司推出了一種名為“D-shape”的新型建筑3D打印技術。該技術利用粘結劑硬化每層砂礫粉末并逐層累加形成建筑實體。2008年，英國拉夫堡大學教授Richard Buswell提出了噴擠疊加“混凝土打印”工藝，該工藝三維自由度高和堆積分辨率小[8]。

表1 3D打印四種成型技術的對比

在我國，3D打印建筑技術的研究工作起步于2010年，主要可以分為以下3個方面[9]：

1)3D打印技術相關基礎理論和技術應用綜述方面的研究；

2)材料分層疊加相關技術的研究；

3)基于建筑設計理論的數字建造技術研究。可以說我國在3D打印建筑領域的研究起步較晚，已經遠遠落后于國外。

3D打印建筑技術是一種新型數字建造技術，根據混凝土等材料逐層堆疊的基本原理，通過計算機輸入相應的形狀、尺寸大小和其他信息，建立所需的三維建筑模型；然后，利用計算機技術將該模型分解成一定厚度的層片文件(一般情況下沿三維模型的Z方向)；接著，檢驗或修正所分解成的層片文件檢查無誤后，生成正確的數控程序；最后，由連接著計算機的大型打印設備按照指定的路徑“打印”出所需建筑。整個打印過程如圖2所示。目前，利用3D打印建筑技術“打印”建筑物的方式主要有全尺寸打印建筑、分段組裝打印建筑和群組機器人集體打印建筑[10]。全尺寸打印建筑指的是利用一臺大型的3D打印機將所需的建筑物按實際尺寸整棟打印出來。分段組裝打印建筑指的是在工廠里預先把所需的小塊建筑模型打印好，再運到現場進行組裝。群組機器人集體打印建筑就是許多臺3D打印機共同工作，完成整棟房屋的打印工作。

三種打印建筑方式的特點對比如表2所示。

表2 3D打印建筑方式的特點對比

3.2 3D打印技術在建筑領域應用的優勢

與傳統的建筑技術相比，3D打印建筑技術所具有的優勢主要表現在：

1)和傳統建筑形式相比，3D打印建筑技術的施工技術更快，生產效率更高，可以極大地壓縮建造工期和投資回收期；

2)大大減少了所需的勞動力，3D打印過程中占用的人力資源很少，產生的人力成本幾乎可以忽略不計；

3)在生產過程中不需要搭建腳手架和使用模板，能夠大幅節約生產成本；

4)在3D打印過程中幾乎可以不產生任何噪聲和廢料，大大減少了建筑垃圾和粉塵，符合低碳、綠色、環保的建筑理念；

5)降低了施工作業危險，保障了作業人員的人身安全，減少事故和傷亡；

6)可以建造復雜、特殊和個性化的建筑產品；

7)遵照計算機程序，打印完一層自動爬上一層，非常有序，保證了結構的穩定性和產品的質量。

3.3 3D打印技術在建筑領域的應用前景分析

當前，3D打印技術主要應用于建筑領域的建筑設計階段和工程施工階段。建筑設計階段，主要是應用3D打印技術將虛擬中的三維設計概念模型直接打印成實體建筑模型，該方法具有節能環保、成型快和成本低等優點。工程施工階段，主要是利用3D打印技術建造建筑，在減少資源浪費和能源消耗的同時，有利于促進新型城鎮化建設，推動我國的城市化進程。同時，3D打印技術在現階段也存在一定的局限性，主要有：

1)打印材料相對單一，目前常用的3D打印材料均是具有較好的抗壓性能，而抗拉性能相對較差，當出現拉應力超過材料的容許拉應力(抗拉強度)時，在材料內部極易出現裂紋；

2)3D打印建筑沒有成熟的設計理論和方法可以借鑒，應用范圍基本局限于低層和多層建筑；

3)施工工藝方面，3D打印建筑未達到必要強度時的支撐問題、找平問題和配筋問題。

4 結語

當前，3D打印建筑技術的研究還處于起步階段，其本身還存在一些目前未能有效突破的技術瓶頸。因此，3D打印建筑技術距離大規模應用在各類建筑結構形式中還有很長的路需要走。但是，3D打印建筑技術具有將建筑結構、建筑形式和建筑材料等因素進行高度整合的優點，是一種全新的設計邏輯和建造模式，體現的是未來數字設計建造模式下一種全新的建筑生態關系，代表了未來建筑數字化發展的方向。3D打印技術“制作簡單快速、節能環保、低成本”的優勢顛覆了傳統建筑業，必將成為未來建筑領域的新標桿。

[1] 錢玉娟.3D打印:打出未來[J].中國經濟信息,2013(6):56-57.

[2] Lim S,Buswell R A,Le T T,et al.Developments in construction-scale additive manufacturing processes[J]. Automation in Construction,2012(21):262-268.

[3] 王忠宏,李揚帆,張曼茵.中國3D打印產業的現狀及發展思路[J].經濟縱橫,2013(1):90-93.

[4] 楊建江,陳 響.3D打印建筑技術及應用趨勢[J].施工技術,2015,44(10):84-88.

[5] Pegna J.Explora tory investigation of solid free form construction[J].Automation in Construction,1997,5(5):427-437.

[6] KHOSHNEVIS B,BEKEY G.Automated construction using contour crafting-applications on earth and beyond[J].NISTSPECIAL PUBLICATION SP，2003(5):489-494．

[7] KHOSHNEVIS B,HWANG D,YAO K T,et al.Mega-scale fabrication by contour crafting[J].International Journal of Industrial and Systems Engineering,2006,1(3):301-320.

[8] Soar R,Andreen D.The role of additive manufacturing and physiomimetic computational design for digital construction[J].Architectural Design,2012,82(2):126-135.

[9] 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,2015,32(3):1-10.

[10] 王子明,劉 瑋.3D打印技術及其在建筑領域的應用[J].混凝土世界,2015(1):50-57.

Application prospect of 3D printing technology in construction field

Cheng Wanwan

(TianjinBohaiVocationalTechnicalCollege,Tianjin300402,China)

Through introducing the concept, principle, materials and application scope of 3D printing technology, analyzed the advantages and disadvantages of traditional construction technology and 3D printing technology, summarized the problems and solutions of 3D printing technology in the field of construction, and provided useful ideas for the 3D printing architecture research, development and application.

3D printing, architectural field, application prospects

1009-6825(2017)22-0257-02

2017-05-22

成莞莞(1988- )，女，碩士

TP319

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