3D打印技術在建筑領域的應用分析

摘要：針對建筑領域中的3D打印技術應用，在介紹技術基本情況和原理的基礎上，對其在建筑模型制作和建筑實體打印方面的實踐應用進行深入分析，以此為進一步開發和利用3D打印技術在建筑領域的優勢提供理論依據。

關鍵詞：3D打印技術；3D打印建筑模型；3D打印建筑實體

1、前言

建筑業的快速發展對設計、建造方法提出了新的要求，傳統技術顯得越來越乏力，表現為設計過程繁瑣，缺乏實體模型等，而3D打印技術的出現和應用，不僅為建筑設計提供了易得的實體模型，而且隨著大型3D打印機的問世，還使3D打印建筑成為現實。

2、3D打印技術

2.1 技術介紹

3D打印產生于美國，在八十年代末期，在科技進步的促進下，得到飛躍式發展，從88年到93年5年間就實現了從LOM向3D打印的飛躍。對于3D打印而言，它的實現需要依靠數字技術材料打印機，在工業設計和模具制造中用于制造各類復雜的模型，之后逐步演變成一種直接制造技術，現已存在由3D打印制成的實體零部件[1]。3D打印最大的優勢除了其本身外，就是極為廣泛的應用范圍，不僅與人們的生產生活關系緊密，而且還能用于航空航天及國防軍事等領域。

2.2 技術原理

生活或工作中常用的打印機能打印出由電腦完成設計的二維物品，在工作原理上，此類打印機和3D打印機并沒有太大的差別，最大的不同在于打印材料。對普通打印機而言，其材料主要是紙張與墨水，而對3D打印機而言，其材料多種多樣，常見的有塑料、金屬和陶瓷，都是真實存在的原材料，當電腦和打印機建立聯系后，在電腦上進行控制就能對材料進行疊加，使電腦中的虛擬圖變成真實物體。簡單而言，3D打印機實際上就是能以打印的形式制作事物的設備，比如打印一輛車、打印一個模型，甚至打印一種食物。采用3D打印這一名稱的目的是它的技術原理和常規打印相似，尤其是分層加工和噴墨的過程。

3、建筑領域3D 打印技術的應用實踐分析

3.1 建筑模型制作

如前所述，3D打印應用范圍十分廣泛，很多領域、行業都有一定涉及。在建筑業中，3D打印技術的出現和應用有徹底取代以往做法的趨勢。目前，住房要求日趨升高，為滿足建筑使用要求，往往要進行復雜化設計，而在設計過程中必然會用到模型，但傳統意義上的模型制作技術已無法滿足建筑師要求，表現為以藍圖為主，無實物。因此，3D打印一經出現就得到了建筑師們的高度重視。

八十年代中期，3D打印機誕生，而且在同年就利用這一打印機制作了簡易建筑模型實體。通過多年的改進和發展，3D打印建筑模型的技術已經十分成熟，其操作過程實際上并不復雜，僅需在電腦中輸入建筑的相關參數，并將所需材料按一定規律添加至3D打印機，點擊開始打印的按鈕，即可得到與電腦顯示完全相同的實體模型，而且整個過程不需要很長的時間，最快幾分鐘就能完成，極大的提高了設計效率。利用通過3D打印得到的實體模型，除了能幫助開發商銷售，還能為消費者提供實物，從而更好的選擇購買。

3.2 實體建筑打印

LGM是美國的一家以大型3D打印機為核心技術的公司，將黏結劑有選擇性的噴射在石膏粉上，以此為不同客戶提供模型制作服務，如建筑概念模型、建筑結構模型、建筑地形模型等。英國建筑師在掌握3D打印技術內涵的基礎上，致力于采用金屬、水泥和陶瓷等材料打印出實體建筑。比如對材料構成復雜的墻體進行打印，不僅無需單獨加工，一次成型，而且門窗預留洞、預埋件等一步到位，省去了大部分步驟。又以“Enrico Dini”3D打印機為例，它擁有百余個噴嘴，通過對黏結劑的噴射使鎂粉與砂充分黏結，由它打印而成的構件或建筑，在材質上和大理石相似，且強度比混凝土高，基本不需要設置鋼筋來加固。該打印機的成型時間僅有普通方法的25%，同時能節省近一半的造價[2]。

3.3 技術應用

3D打印建筑的墻體采用以水泥為原料的特殊油墨，通過打印機逐層疊加形成，在表面可以清楚看到疊加痕跡。建筑屋面、地面的打印材料均為處理后的由建筑垃圾制成的特殊混凝土，其強度與壽命都優于普通混凝土。此外，打印而成的空心墻結構極大的減輕了構件自重，可根據氣候條件填充其它材料進行保溫，為使用者提供了多元化的選擇。

由此可設想，不論是最常見的房屋建筑、建筑綜合體還是橋梁等其它建筑實體，都可以借助3D打印技術實現快速建造。以房屋建筑為例，只要有適合的3D打印機，則僅需進行合理的設計、地基處理和選擇適宜材料即可在很短的時間內制成建筑框架，然后再根據使用功能需求進行裝飾裝修、機電安裝、管線布置，相信不會超過一個月就可以正式交付使用。此外，由此建造的建筑實體在充分利用廢料、減少生產過程消耗和排放、降低成本等方面是傳統建筑無法比擬的，更加貼合現階段綠色環保、節能減排的建筑主題[3]。

4、3D技術應用發展策略研究

不難發現，如前文所述的技術、法規、市場、經濟等問題不是獨立存在的。它們大多相互糾纏在一起，而為了以上三個階段的逐步實現，人們難以通過針對的方法對其逐個進行解決。譬如，因為規范建設的緩慢，直接導致了相關的實踐無法順利獲得執行，而經驗和實例的缺乏則進一步阻礙了規范的推進，同時也抑制了市場接受度的提升。研發團隊因此難以獲取必要的資金實現對新技術的開發和新應用的支持，而在材料和工程技術得不到更新的局面下，3D打印在實際應用方面也難有突破性的發展。

因此，該技術的應用不能僅依靠設計師、企業或政府單方面的推動，而需要社會各個階層和團體的協作。通過表1的分析可知，基礎設施的營建，社會各界的積極宣傳，對自然與社會環境的積極作用，是3D打印在建筑、景觀和城市建設方面應用中最為重要的發展對策。不管是從該技術所具備的社會效益等優勢還是自身的缺陷出發，由政府引導和企業牽頭的公益事業或許是栽培3D打印技術較為適宜的土壤。

首先，該技術在應用方面已有不少非營利性質的資金投入，并具備擴大再生產的前提條件。其次，作為非營利性質的公益事業，它能取得較高的社會關注，使整個研發和實踐過程保持高度公開化和透明化，從而逐步提高市場的接受程度。第三，通過政府的正確引導，能讓新事物的發展在政府公信力的支持下不斷提升消費者的信任感，并加速推進相關法規的建設。同時，多元化的運作主體也能更廣泛地接觸到市場的方方面面，并從中獲取新的需求和發展思路。公益事業是有效地整合社會資源的一種模式，對具備社會價值的新興事物的成長有著較強的輔助和推動能力，因而它能在一定程度上推進3D打印技術在建造領域的發展。

5、結束語

綜上所述，3D打印是一項適用面廣、快速、材料選擇靈活的成型技術，它在建筑領域的應用從最初的模型制造已經發展到今天的實體建造，而且鑒于打印材料的寬泛性，使建筑建造成為充分利用廢料的過程，實現了降低排放和縮短工期的雙重目標。然而，3D打印完全依靠3D打印機來實現，更大、更先進3D打印機的設計制造是進一步推動3D打印技術發展的必經之路。

參考文獻：

[1]張皓， 安宇塵. 3D 打印技術在建筑工程領域的應用與前景[J]. 山西建筑， 2016， 42（11）：17-18.

[2]張越. 3D打印技術及其應用進展研究[J]. 華中師范大學學報自然科學版， 2016（04）：61-62.

[3]王青. 3D打印技術在建筑工程中的應用[J]. 科技創新與應用， 2016（34）37-38.