3D打印建筑技術在旅游城市的應用研究★

黃夢瑤 張 宏 蔣凌云 趙紫晶 李 娟 秦 勉

(吉首大學張家界學院，湖南 張家界 427000)

0 引言

3D打印技術擁有數字化、個性化、網絡化以及定制化等獨到之處，因其被稱為第三次工業革命的重要標志之一，從而引發了世界人民對3D打印技術的廣泛關注[1]。該文對3D打印技術的理念、材料、技術類型及其特征、國內外的發展歷程及近況、優劣勢分析等方面進行探討，并分析其在旅游城市張家界市棚戶區的應用前景。

1 3D打印技術的基本概況

1.1 簡介

3D打印技術又稱增材制造技術(Additive Manufactuning，簡稱AM)，其打印方式就是在普通2D打印的基礎上再加一維，使其最終產品成為一個三維立體的實物。工作流程為先利用軟件建立三維虛擬模型，3D打印機運用特殊蠟材，粉末狀金屬等可粘合性材料的粘性，通過漸堆疊的方式制作出一個三維立體模型。這種立體打印的方式不僅節約了人力物力，而且更加方便、快捷、綠色、節能。

1.2 材料

建筑材料是建筑的基本組成成分，3D打印建筑技術使用的是彈性模量、抗壓強度和抗折強度都較高的泡沫混凝土，其使用年限和抗震性能也十分出色。而這種材料最大的優勢在于其原料來自建筑廢料，將這些建筑廢料通過分解和加工處理成為新的可用材料，使其在3D打印建筑的過程中不會產生粉塵和噪聲污染。在3D打印技術中，可以將其材料分為五大類，如表1所示。

表1 3D打印材料

目前，國內外對材料進行了一系列試驗。在美國，一些研究者用混凝土進行試驗，國內也有許多專家學者研究3D打印建筑材料。劉福財等人發明高性能粉末混凝土，其固化速度快，粘合性好；范詩建等人配出磷酸鹽水泥，使材料在抗壓和抗折強度方面得到了極大提升。

1.3 技術

1.3.13D技術

3D打印技術始于20世紀80年代中后期，其技術原理是把軟件建立的三維虛擬模型文件通過分層解析，通過與其配套的電腦處理分割為多個二維圖形的組合體。而與此同時，3D打印機內的材料被擠壓通過噴頭逐漸堆積層疊，噴出的材料會迅速凝固而形成一個整體，最終形成三維實體模型，見圖1。

1.3.23D建筑技術

近幾年，3D打印在建筑行業上的運用逐漸吸引了公眾的目光。目前應用最廣泛的工藝就是“輪廓工藝”和“D-Shape”。“輪廓工藝”其工作機理是在計算機的控制下，材料通過噴頭噴出，按層堆積形成建筑輪廓，然后對其內部進行填充，完成房屋的構造。“D-Shape”是一款3D打印機，其工作機理是在計算機的控制下按照其預先設定的形狀由建筑物的底部開始打印然后逐層向上堆疊。

2 3D打印技術在國內外的研究及在建筑領域的發展

2.1 國外研究現狀

從國際角度看，3D打印技術在各行業蓬勃發展。在航空航天方面，美國研制了全球首發微重力3D打印機。在醫學方面，PrintAlive Bioprinter團隊研發皮膚3D生物打印。在軍事方面，美軍考慮打印各種型號的彈頭。在建筑行業，美國明尼蘇達州的承包商Andrey Rudenko運用3D打印技術打印出了一座城堡，菲律賓劉易斯大酒店老板Lewis Yakich用3D打印技術打印出了一座別墅式酒店。該酒店面積為10.5 m×12.5 m，高3 m，共計130 m2。3D打印技術應用領域見圖2。

2.2 國內研究現狀

在國內，3D打印技術在各行業也都有了不錯的成果。尤其是在建筑方面，盈創新材料有限公司成功在2014年3月在上海青浦區打印出10棟房屋，共用時24 h。目前，華商騰達公司掌握了3D整體現場打印技術。相對于先前“先打印，后組裝”的模式，現場整體打印的難度更大，華商騰達公司研發出的超大型3D打印即可直接在現場整體打印房屋，打印寬度可達到20 m，而高度可以無限延伸。預計不久將來，此設備將會在行業中起領軍作用，打印建筑實例見圖3。

3 3D打印建筑技術的優劣勢分析

3.1 3D打印建筑技術的優勢

與傳統建筑技術對比，3D打印技術不需要模具且用時短、成型快、建筑效率高。生產過程中人為干擾因素較少，產品的質量更加穩定；可以根據客戶的需求建造出傳統建筑技術無法建造出的復雜形狀的建筑，且其形狀越復雜，尺寸越小，精度要求越高，3D打印技術的優勢越明顯；建造工程中產生的建筑垃圾極少，并且其打印材料可以由建筑垃圾加工回收利用，既能節約成本，又符合國家的可持續發展觀；3D打印建筑所需的人力較少，減少了工人的勞動強度且節約了成本。

3.2 3D打印建筑技術的劣勢

同其他新興工業一樣，3D打印建筑技術也有其軟肋。迄今為止，國內外3D打印出的建筑物多為1層～2層，最高為6層，如何利用3D打印技術打印出高層建筑是目前亟需解決的問題。

4 張家界建筑基本情況及對經濟、環境等方面的影響

4.1 基本情況

眾所周知，張家界是一座旅游城市，流動人口數量較大，但常住人口只有151.9萬人，也意味著對于居住建筑的需求量較小。但據資料顯示，張家界建筑業總產值出現負增長，商品房開發節奏緩慢，而住房均價不斷提升，與此相較而言，本地居民的居住水平存在著大量的置業需求。自從張家界被確定為國家旅游綜合改革試點城市以來，城市化建設步伐的加快勢在必行，舊城改造將要引發的剛性需求會在未來幾年內大量釋放出來。

4.2 影響

1)對經濟方面的影響。

一個城市中建筑業的發展能夠影響一系列產業的增長。就以張家界而言，目前發展面臨的最大的問題是基礎太差，城市化建設和基礎設施建設遠遠不能達到一個國際休閑度假旅游城市的應有水準，所以加快建筑業的進步就顯得迫在眉睫。

2)對環境方面的影響。

一個城市想要發展，建筑行業勢必得被提上日程，新建住房也會成為一個手段。但是，新建住房會產生建筑垃圾，建筑垃圾會造成環境污染，其危害主要表現在侵占土地。每10 000 t建筑垃圾要占用0.067平方百米的土地[2，3]，堆放的垃圾經雨水淋濕滲透后會產生大量的有害物質，若任由這些有害物質流入河流、湖泊或滲入地下水，會造成無法挽回的地表和地下水污染[3]。

5 3D打印建筑技術在張家界市的前景展望

張家界作為新興的國際旅游城市，其自然風光，人文景觀吸引著海內外游客。旅游業的發展推動了建筑業的需求，民宿、旅館、酒店等建筑在景區附近的需求量大，而3D打印建筑技術時間短，修建效率高等優勢適合張家界引進。就投資者而言，修建建筑所需求成本應盡量低，而3D打印建筑技術能使建筑設計者省去繁雜流程，各專業領域的建筑設計師可同時在三維模型中完成方案的設計，節省設計流程，降低相應費用。可使更多投資者引用3D建筑技術在張家界這座旅游城市進行投資，推動張家界市的經濟發展，伴隨著張家界的發展大規模的拆除建筑隨處可見，其建筑垃圾通過傳統處理所耗費的人力、財力巨大，而3D打印建筑技術采用建筑廢棄材料為原料，符合資源節約型和環境友好型“兩型社會”的建設要求，既節約了材料，又保護了環境。