3D打印技術在建筑領域的發展及應用

吳鴻森

（黑龍江科技大學，黑龍江 哈爾濱 150022）

當前我國整體經濟發展處于持續提升的過程中，隨著物質生活水平的不斷提升，人們對建筑的要求也表現出越來越高、越來越具體化的特質。就當前建筑行業的發展狀態而言，如果能夠有效應用一種全新、可以嚴格控制材料用量的生產技術，無疑會大幅節約建筑工程建設所需要的資源，幫助建筑行業實現更加高精尖的發展。在當前為數眾多的各類型技術中，3D打印技術由于表現出強大的成本控制能力與可操控性，引發大批科研人員嘗試將其應用在建筑領域中，并取得一些發展成果。

1 關于3D打印技術

1.1 技術內容概述

3D打印技術的實際操作運行基于數據模型之上，所應用的材料無論是否金屬質地都以粉末為主要形狀特點。在逐層打印技術的支持下，3D打印技術實現物體空間形態的快速構造、成型處理，且打印過程具有非常直觀的視覺體驗。當前3D打印技術的實際應用需要依靠多種類型的模型成型技術，包括SLA技術與FDM技術。

SLA技術指的是立體固化成型技術，是一種早期的3D打印技術，主要依靠液態的光敏樹脂以及相對應的模具實現3D實物打印，當前SLA技術在3D打印技術應用的領域中尚具有一定的普遍性。FDM技術又被稱為溶積成型技術，主要生產一些中小型工件，在成本控制及污染程度上表現出明顯的優勢，且應用的材料大多支持回收處理與循環利用[1]。當前FDM技術在應用過程中也表現出一些缺陷，如達不到超高精度要求、制造速度相對較慢等。

1.2 3D打印技術的主要特征

3D打印技術本身具備很多優點，能最大限度滿足小體積模型的打印處理，因此具有推動社會經濟發展、創造更多經濟效益的能力。此外，3D打印技術本身的強可塑性使它可以滿足很多不同種類的要求，因而也能運用于驗證某種創意或概念的可行性與實用性。在深入分析打印對象相關各項參數、調整設定并將其輸入到控制軟件之后，即可通過添加相關材料來制作3D模型，在實際制作過程中還能結合模型表現出的各項特質進行更深層次的優化處理，方便后續批量生產工作的進行。

3D打印設備同樣可以與各類型電腦軟件相互配合來實現不同的打印功能。當前我國在網絡信息技術上已經獲得重大突破，這也在一定程度上提升了3D打印技術的安全性與穩定性，使該技術幾乎滿足不同工作人員的工作需求，進一步擴大3D打印技術的應用范圍。

2 3D打印技術的優勢

3D打印技術之所以得到大力研發與推廣，主要是因為該技術本身表現出的各類型優勢，在建筑領域，這種優勢主要體現在縮短工期保障安全、控制建材消耗、成本低廉三方面。

（1）縮短工期保障安全：建設工程的安全性問題往往是一個需要直面面對、難度系數極大的問題。傳統建筑工程多以人力為主要執行單位，在3D打印技術被應用到建筑領域之后，僅需通過少量人員操作設備、及時給料即可完成工程作業，人員直接參與到工程建設中的情況與需求大幅縮減，因而在很大程度上實現了安全性的提升。在3D打印技術與BIM技術相互配合的前提下，前者負責可視化信息模型的建立，后者則負責事物的創造工作，省略了傳統建筑工程中的大量流程[2]。

（2）控制建材消耗：傳統建筑工程需要應用大量的建材，且由于人力操作存在的誤差及局限性，不可避免會產生一些建材廢料及多余建材消耗，工程完成后的建筑垃圾往往得不到有效處理。對于3D打印技術而言，由計算機與信息技術實現的高精度生產控制使所有建筑材料物盡其用，極少出現多余材料的情況。而且本身3D打印技術應用的材料多以回收利用的材料為主，不僅實現了重復利用、就地取材，而且解決了建筑垃圾問題，進而實現保護環境的目的。

（3）成本低廉：3D打印技術中應用的材料多以回收利用的材料為主，且省略了傳統建筑工程需要制作材料及構件的過程，最大限度實現了成本的控制。另一方面，3D打印技術生產過程中產生的噪聲十分微小，且不會產生揚塵問題，體現了對生態環境的保護作用。

3 3D打印技術在建筑領域的應用

3.1 在設計階段的應用

設計工作是整個建筑工程執行的靈魂與重要前提，對工程整體的開展、進行、驗收及后續使用都會造成深遠影響，因此3D打印技術在建筑領域的實際應用首先體現在工程設計階段，確保工程設計工作不斷邁向更高端的水準與方向，在確保其滿足廣大人民群眾各類型實際需求的同時充分展現出建筑工程的價值。在設計階段得出相應的設計圖紙后可縮小其規模，再應用3D打印技術檢查工程中不合理的內容，并將靈光乍現的創意與想法加入其中，直觀查看這些想法與靈感的可行性，同時在實際施工過程中給予施工人員指導。除此之外，3D打印技術在建筑設計工作中的應用還體現在一些特殊設計內容的實現上，例如提前預估工程設計內容，借助直觀視覺感受和查找其中存在的不足，并采取對應的措施彌補缺陷，進一步保障整個建筑工程的質量與安全性。

3.2 在實際施工階段的應用

施工階段是將建筑從概念落實到實物的關鍵階段，是建筑工程具體的執行期。3D打印技術在工程施工階段的應用要充分重視客觀影響的處理與主觀訴求的滿足。傳統建筑工程單位往往需要面臨財力、材料、監理、業主、工期、設備、執行能力、安全管理等多方面的工作內容，因此通常會面臨嚴峻的工作壓力，要在有限的工期之內保質保量完成施工任務。在建筑工程施工階段運用3D打印技術，可以根據材料的供應狀態及打印設備的工作效率準確得出工期的確切時長，工作人員只需要保證充足且持續的供應打印設備的材料及能源，就能在計劃工期內完成工程建設工作。

除此之外，3D打印技術在施工階段的應用還體現在材料與輪廓兩方面。此處涉及的材料是指3D打印技術應用的打印材料，在將3D打印技術應用到建筑領域中之后，“打印材料”也轉換為以各種建筑材料支撐的顆粒物。就當前建筑材料中被廣泛運用的混凝土而言，這種材料本身具有很強的抗壓性能，但抗拉性能的表現不盡如人意。混凝土材料的大規模應用是在鋼筋出現之后才實現的，其中鋼筋主要負責承受拉力，壓力則由混凝土材料承擔，兩者之間實現了相輔相成的作用。這就將3D打印技術應用在建筑工程中之后，如果僅采用混凝土作為打印材料，雖然能夠滿足墻柱構件的受壓要求，但以梁板為主的受拉構件則難以滿足建筑標準。當前采用的建筑3D打印材料多以抗壓性能為主要性能，大多數沒有表現出應有的抗拉能力，這意味著建筑承受的拉應力如果超出材料的抗拉強度會在材料構成的構件上產生裂縫，因此當前建筑中以3D打印技術形成的樓板還需要現場澆筑鋼筋混凝土或采用預制樓板的方式加以解決。

混凝土材料如果沒有鋼筋支持其抗拉性能，一旦拉應力超過其抗拉極限就會導致混凝土構件出現裂縫，并造成構件連續性破壞的情況。由此可見，用于3D打印技術中的打印材料本身除了抗壓能力之外，還需要具有相應的抗拉能力，從而抑制材料本體干縮產生的裂縫。從結構安全性的角度考慮，為了防止構件本身出現脆性破壞，構件本身應當具有一定的變形量及支撐時間，以確保構件從出現裂縫、產生損壞、結構崩解的過程中留出充足的警示時間。

3D打印技術下建筑工程的輪廓工藝指的是一種借助計算機按層控制噴嘴，逐步擠出建筑材料的建造技術。在打印方式上需要首先打印出建筑的整體輪廓，隨后在輪廓內部填充來完成建筑的建造工作。這就意味著打印設備需安裝在相應龍門架的橫梁上，龍門架則鋪設在對應的導軌上，以龍門架的前后移動代替打印設備的前后移動，打印設備的左右移動則通過龍門架的橫梁實現。在這種情況下，打印設備通過一個可上下移動的噴嘴擠出半流體狀態的混凝土，將程序中設計好的3D立體模型載入打印系統，之后打印設備根據模型的參數勾勒出建筑整體輪廓，并借助設備配置的泥刀調整混凝土形狀，隨后逐步逐層增加建筑墻體，門窗的位置則會根據模型參數內容自動預留，其效果圖如圖1所示。這樣一來施工所需時間被大幅縮短，如果以打印速率為3min/m2墻體來計算，完成一棟兩層小型建筑的時間大概只需要20h左右。

圖1 3D打印技術應用的概念

4 結語

綜上所述，本文詳細介紹與分析了3D打印技術以及該技術在建筑領域中的應用，可以看出3D打印技術為建筑行業的發展描繪了美好的前景，同時也為建筑工程科技化水平的提升帶來了全新的機遇與挑戰。因此應當強化3D打印技術在建筑工程中的研發力度，推動其在建筑行業內得到廣泛應用，進而作用于我國建筑領域的新發展。