3D打印技術在建筑領域的應用

董 林

（山東華邦建設集團有限公司 山東 濰坊 262500）

1 引言

現代信息科技的發展對于推動建筑行業的進步有著重要意義。3D打印技術作為現代科技的典型代表，在建筑行業的應用可以充分發揮其模擬價值，能夠構建立體的模型，確保工作人員直觀地查看建筑工程產品的最終結果。為了進一步發揮該技術的作用，相關工作人員應當明確3D打印技術的流程，落實該技術在建筑領域的應用。

2 3D打印概述

3D打印技術是一種新型的制造技術，綜合應用了計算機、機電、數控、激光、新材料，主要是用3D打印機逐層累計疊加形成三維結構實體，主要材料為粉末和片狀絲狀等離散型材料，制造加工過程包括切、削、磨、鉆等方式。在建筑領域應用3D打印技術主要流程為監理三維模型、模擬三維模型、分層切片處理、規劃層片路徑、加工與疊加層片。美國3D打印技術委員會按照如下方式定義3D打印技術：3D打印技術完全不同于傳統材料加工方法，以CAD模型數據為基礎構建模型并且逐層增加材料，制造出和三維物理實體模型完全一致的數學模型。建筑工程中3D打印技術流程如下。

（1）建立三維模型。當前構建三維模型的方法包括兩種，一種是利用Autocad、Pro/e、UG等計算機輔助設計軟件直接建模，另一種是通過點云數據和逆向反求原理完成三維實體模型的構建。

（2）近似模擬三維模型。想要在快速成型系統中使用數據格式就要將三維模型及時轉化為能夠被系統識別的數據。當前存在STL、CLI、LMI等多種可以被快速成型系統識別的文件格式，其中最為常用的數據格式為STL文件格式。利用計算機輔助設計軟件能夠直接輸出STL格式文件。

（3）分層切片處理。3D打印過程主要是離散、堆積，通過近似擬合一系列平行、等間距的二維模型才能構建出和加工需求一致的三維模型，我們將這個過程稱為分層切片處理過程，產品精確度隨著分層的數量增多而提高，但是同時也會增加加工時間。有的產品對精確度要求不高，為了縮短加工時間可以將分層減少。

（4）合理規劃層片路徑。分層切片處理得到的層片輪廓要根據3D打印加工的要求轉化成打印噴頭運動路徑從而填充層片，我們將這個過程稱之為層片路徑規劃。通過實現層片輪廓到具體噴頭運行路徑的轉化能夠實現打印效果的優化，提升3D打印合理性。

（5）層片加工和疊加。在噴頭運行路徑規劃好后能夠加工和疊加層片。在控制系統控制之下，3D打印噴頭能夠按照規劃好的路徑開始打印，然后通過疊加最終得到計劃的產品。

將3D打印技術應用于建筑領域主要利用的是3D打印技術堆積原理，利用工業機器人完成構建鋪設材料的工作。在建筑領域所用的3D打印機結構主要包括打印頭、耗材、介質、機械組件等類似于傳統打印機的構件。根據計算機設計的三維模型數據和運行程序分層打印并且逐層疊加得到建筑實物，利用建筑3D打印機實現從計算機三維模型到實物的轉化[1]。

3 3D打印技術的特征

3D打印技術具有多樣性、專業性、全覆蓋性等特點，其在建筑領域的應用有助于提升建筑工程建設水平。

3.1 3D打印技術的多樣性

3D打印技術容易受到諸多方面的因素影響，比如打印技術、產品精密度、價格等。3D打印技術是一種有著較強綜合性的技術，需要很多公司共同完成該技術的應用，可見，3D打印并不是一項單一的技術，而是具有多樣性特征，需要充分發揮出各項技術的價值和優勢，在實際應用中為企業創造效益。3D打印技術的多樣性特點對企業技術占有率、企業發展水平等方面都有著決定性作用。

3.2 3D打印技術的專業性特征

專業技術擁有率的大小是決定3D打印市場的管件因素，通過研究當前3D打印機可知，目前“雙巨頭+專業性”是當前3D打印技術的主要表現形式，其專業性特征十分明顯。當前3D打印技術研究的基礎為各項相關技術，需要充分體現并且發揮出各項技術的優勢才能快速實現3D打印技術商業化發展，才能實現相關資料的獲取，才能將3D打印技術的重要市場地位充分凸顯出來。

3.3 3D打印技術的全覆蓋特征

目前，市場上很多企業可以為人們提供3D實體產品、設備、平臺等相關服務，這種多種方法的運行模式體現了3D打印技術的全覆蓋性特點。在3D打印市場上，有的企業專注于一種技術設備材料，通過針對性地研究某一種特殊分化的技術形成了具有一定規模的特色公司，為客戶專門提供材料、設備等服務。可見，在3D打印技術實際市場運行中，可以形成全覆蓋的產業鏈，構建相應的平臺，提供針對性的材料設備，將3D打印市場的產業鏈范圍擴大，實現全面覆蓋[2]。

4 建筑領域3D打印技術的應用分析

4.1 應用于建筑構件中

建筑師在打印過程中主要采用的方式包括激光燒件、節點式，每一節點分段的打印都要嚴格遵守設計圖紙比例中的要求，直到最終制作完成建筑物模型，實現組合拼接，達到節約物力、人力的效果。同時，在建筑構件模型制作中利用3D打印技術操作便捷，能夠將構件的適用性和美觀性提升。3D打印技術在一些建筑物附屬裝飾品上也得到了廣泛的應用，比如在異常復雜化的中式古典建筑、歐式壁雕裝飾物表面結構中可以充分發揮3D打印技術的優勢，傳統的施工方式需要耗費大量的時間，工作效率不高，構件的結構、細節部分難以把控，而3D技術有效地解決了這些問題，能夠通過基底建模和計算機控制比例精確、批量生產構件，完成局部細節的嚴格控制。3D打印技術在建筑裝飾中的高效應用促使建筑裝飾逐漸朝著細節處理、技術優化等方向進步[3]。

4.2 應用于建筑設計方案中

在建筑項目方案設計階段客戶、團隊成員之間的認識和想法存在較大的差異性，不同的要求和認識導致設計方案難以高效確認，傳統的二維設計圖紙也難以充分為客戶、施工人員所理解，所以二維圖難以完整地展現出整個工程的全貌，在實現過程中如果后期產生了不同的意見那么必然會導致設計發生變更甚至無法按照計劃推進。利用3D打印技術能夠直觀完整地展現出整個建筑工程項目，通過打印出方案實體，能夠直觀呈現出設計方案的建設結果，相關人員根據實體模型明確自己的要求，合理調整各項參數，同時做好協調處理，提升建筑設計方案的科學性。工作人員尤其要考慮建筑工程的景觀、道路交通等方面的問題，利用3D打印技術能夠直觀完整地展現出建筑產品建成后的效果。在設計階段，每個細節、每個項目、每個環節都可能會對建筑產品的質量安全產生影響，如果設計不合理很可能出現嚴重的后果。利用3D打印技術可以明確設計方案可行性，降低設計方案失敗的概率，可以降低設計階段不足造成的損失。

4.3 3D技術在古建筑修復中的應用

古建筑修復工作的困難和問題較多，如果僅僅是古建筑外觀局部受損且不嚴重，尚可高效完成修復，但是如果是結構受損，那么受到不同材料、地域因素、時間等方面的影響，將難以高效修復古建筑結構。很多古建筑有著十分復雜的結構，所用材料較為特殊，受到材料、結構等諸多方面因素的限制，導致古建筑結構修補困難重重。人工觀察修補雖然能夠解決一些損壞之處，但是修補結果難以切實達到預期要求。比如榫卯結構是我國古建筑中十分常見的結構，如果單純地依靠現代技術難以切實將損壞之處修復，通過利用3D掃描技術能夠對古建筑的表層進行持續性觀察，做好圖像收集整理，然后利用計算機技術合理計算分析圖片數據，最終獲取古建筑表層空間數值，并且對物體三維輪廓進行精確地計算描繪，實現高精度的打印，保證能夠契合古建筑結構。利用3D掃描技術能夠完美地復刻出古建筑物中的形態細節，將需要的部分打印出來，精準地拼接到原建筑結構當中。綜合利用3D掃描、CAD等能夠快速完成修復模具的制作[4]。

5 結語

現如今建筑行業越來越重視3D打印技術，很多企業都開始積極創新和發展該技術。當前3D技術已經能夠實現房屋拼裝打印，但是在復雜建筑模型打印方面仍然需要相關工作人員進一步研究探索。未來建筑行業發展中將會進一步應用3D技術，并且會逐漸改善建筑行業的發展方式，為居民創造出更加舒適的建筑產品。