3D打印技術在土木工程應用中展望

3D打印技術（3D Printing），一種快速成形技術，是以數字模型文件為基礎，利用金屬粉末狀、塑料膠體及一些無機材料等可粘合材料，經過逐層打印來構造實體的技術。與傳統制造業不同，3D打印利用加法原則，可以直接將計算機中的設計圖紙轉化為模型或實體。3D打印技術優勢在于能實現設計制造一體化，降低約50%制造費用，縮短加工周期約70%。

中國的傳統工藝“糖人”，大概就是最早的“3D打印”。它是將蔗糖加熱調制，采用“吹、畫、塑”三種工藝，附加藝人自身豐富想象和創造力，制作造型各異的立體“糖人”。

1、3D打印建筑的主要特點

1.1 3D打印建筑的優點

（1）施工周期短 當前我國3D打印機可以在較短的時間內完成大量建筑。整個“打印”過程，只需要一臺3D打印機、一臺計算機、3-5人以及打印所需的材料[1]。將想要建造的圖紙輸入電腦連接打印機，就可以快速又精確的完成建筑墻體、樓板的“打印”， 建造自己想要的房屋。

（2）施工過程無污染，材料環保，成本低 3D打印所需的材料大多都是牙膏狀的半固體狀態的新型混合材料，打印機的噴嘴的工作方式同蛋糕制作的奶油裱花工藝異曲同工，將建筑耗能從70%降至30%[2]。

（3）墻體質量輕 3D打印建筑所打印出來的墻體是空心的，為保證其結構穩定性在中間添加“Z”形支撐。

1.2 3D打印建筑的缺點

（1）建筑行業內缺少統一的規范。3D打印建筑是一個全新的領域，建筑行業內沒有任何相應的規范條例、相關的技術和房屋產權等諸多問題都沒有得到權威認可

（2）材料結構性能不確定。3D打印建筑所用的材料大多都是新型混合材料，但材料的耐久性、剛度、強度、極限承載力等重要參數是否能滿足建筑行業的標準還有待進一步確定。

（3）建筑物表面粗糙。3D打印技術運用層層打印的原理。當第一層打印結束后，等到牙膏狀半固化之后才能進行下一層的打印，這樣的工作原理導致層與層之間不能光滑過渡，表面粗糙度，條文形式單一，若不進行外墻和室內裝修，將影響建筑整體美觀。

2、3D打印技術在土木工程領域的應用前景展望

3D打印技術作為一種新型的制造技術，已經廣泛的應用到機械、航空航天、印刷等領域，也必將會推動土木工程領域尤其是結構工程領域的發展[3]。

2.1 特殊構件的制作、鑄鋼模具的打印

3D打印技術的一大優勢是能實現構件的個性化制作，只要是能在計算機中能建成三維模型的構件，都可以通過參數化處理，連接3D打印機，經過連續化的物理層的疊加而成為真實存在的三維實體。現實中，一些外形復雜并且具有復雜內部結構的構件，都可以通過3D打印技術來實現。而目前傳統的加工制作工藝，例如，削減制作（Subtractive Manufacuring），在加工過程中，刀具和切削的部位之間的間距很難控制，很容易造成各個部件之間存在差異；特別是精密構件，影響實際使用的精度。

對于一些空間大跨度結構來說，節點作為受力的集中部位，其可靠性至關重要，節點一旦失效，桿件失去承載力，將會導致結構的局部或者整體的連續性破壞[4]。隨著空間結構造型和功能的要求復雜和多元化，鋼結構的節點連接的桿件越多，造型也越復雜。3D打印技術，針對這種情況，可通過兩種方式來滿足此類構件的功能要求和造型要求。

2.1.1 特殊構件的制作

鋼結構設計中，空心球節點的內部布置加勁肋，以提高節點的承載力，減小節點區域的壁厚，保持整體美觀。對此，許多學者做了大量的研究。蘇州火車站站房鋼結構一節點主管內設置加勁肋的優化對比試驗中[5]，節點主管中設置加勁肋能有效的提高節點的極限承載力，充分發揮支管的強度，而不用改變節點的造型和壁厚。加勁肋的連接多采用焊接工藝，由于節點的尺寸一般不大，焊接作業的空間狹小，很難保證焊接的質量。焊接部位往往會產生殘余應力，導致構件受力后，局部的應力集中、屈曲，過早的引起塑性變形，疲勞破壞等問題[6]。而通過3D打印技術，實現節點的整體打印，不僅避免了焊接產生的殘余應力，而且整體性更強，受力更均勻。

2.1.2 鑄鋼模具的制作

采用3D打印技術制作模具，具有制作精度高、加工速度快、簡化制作工藝、節省制作周期、打印材料多樣化的特點，降低了單個磨具的成本。取代了木模具，更加環保和經濟。而3D打印技術在20世紀80年代的發明就是為了降低模具的制作成本和提高質量。相對于傳統的模具制作耗時、費力、浪費原材料（熔模鍛造Investment Casting，CI），3D打印解決了模具制造的時間和成本問題，應用前景廣闊。

2.2 3D打印技術在建筑中的應用

建筑設計階的建筑模型制作和工程施工階段的足尺模型建造。

2014年4月全國首批3D打印建筑在上海張江高新青浦園區展出；2015年1月，蘇州建成了3D打印別墅住宅；2015年7月，西安用3小時建造了一棟二層精致別墅等。

2.3 3D打印技術與建筑施工智能化

近些年來，有些學者提出“自由形式施工”（Freeform Construction）的概念。[7-8]

它是基于數字建造（Digital Fabrication）和快速添加制造（Rapid Manufactring）的原理，具有整體建造施工全部構件如墻、板、柱、梁等并且實現構件與結構體系的一體化功能的能力。相對于傳統的施工方式，這種自由形式的施工，除了節省人力資源，還具有成本、工期、附加價值方面的優勢。

20世紀80年代，CAD和CNC（Computer Numeric Control）的發展促生了快速添加技術（尤指光固法）。90年代后，高級參數化建模（Parametric Modeling）被引入土木工程領域，設計、分析與計算機相結合，以及快速添加技術和新材料的發展給土木工程的施工帶來了曙光[9]。

3、建筑領域3D打印技術需要解決的問題

3.1 建筑材料

3D打印材料都是以抗壓性能為主，抗拉性能較差，一旦超過材料的抗拉強度，就會出現裂縫。如何增強3D打印建筑的抗拉性能，成為突破3D打印建筑應用的關鍵。

3.2 打印材料與鋼筋混凝土相容性

3D打印技術是基于半固態油墨狀的新型混合材料，靠材料自身的粘性，“堆疊”成型的粘合構件。如何使不同性能的材料結合在一起，同時滿足結構的功能要求，是以后需要研究的問題。

3.3打印設備

目前，3D打印技術制作的物體尺寸能相對較小，即便是3D打印建筑，目前也只有一二層。如何一次性打印相對較大的實體，并且簡單實用易操作，也是需要解決的問題。

4、結語

哥本哈根未來研究學院的名譽主席約翰·帕魯坦說過這樣一句話：我們的社會通常會高估新技術的可能性，同時卻又低估了它們長期發展的潛力。雖然，3D打印技術作為一項新興的制造技術，具有自身的特點和定位，但是，3D打印技術并不能取代傳統制造技術。我們能夠從產業研究的角度去分析和判斷3D打印，但這樣一個新興技術在未來的發展過程中仍存在很多困難和問題，亟待我們去解決。

參考文獻：

[1] 張曉光. 基于3D打印時代的建筑技術發展研究[J. 河南科技.2014（10）：162-163.

[2] 張卓鈞，王建剛. 全球首批3D打印建筑亮相上海[N]. 中華建筑報.2014（04）.

[3] 胡迪·利普森， 梅爾芭·庫曼.3D打印技術—從想象到現實[M]. 北京：中信出版社.2013.