淺談3D 打印技術在建筑施工中的應用趨勢

王海潤

2019 年10 月13 日，河北工業大學副校長馬國偉教授帶領其研究團隊完成的裝配式3D 打印趙州橋在河北工業大學北辰校區落成。該成果主要對早期的3D打印經驗進行了借鑒，并將智能監測、BIM 技術和模塊打印技術應用進來，對原有的裝配模式予以優化，將虛擬化、智能化以及新型化的特色全部展現出來。

1.3D 打印技術的主要概念

3D 打印技術本身是一種基于數字模型，對材料進行疊加，并通過打印的方式完成構造的技術類型。相比于傳統打印技術，3D 打印技術具備較強的連通性特色，能夠為項目提供相應的模板，在電腦中，將產品信息輸入，之后依靠設備完成所有打印工作。由于此類技術具備較強的數字化特點，因此在多個領域得到了應用。尤其是建筑行業，本身對于各方面條件都有著非常高的要求，在應用該技術之后，自然能夠有效解決許多問題[1]。

2.3D 打印技術的應用意義

2.1 提升施工效率

早期在進行建筑施工的時候，往往需要大量人力成本，從基礎工作內容入手，逐步完成搭建。這種模式一方面會消耗大量成本，另一方面還會損耗許多時間，整體施工難度非常大，效率極為低下。而在應用了3D 打印技術之后，絕大多數工作都能交給設備自己完成，因此就能有效減少人力成本的投入。此外，由于整個工序具有一體化特點，使得施工項目的基本環節得到簡化，進而提升了效率。

2.2 提升施工環保性

早期在進行施工的時候，建筑物對材料部分有著非常高的要求，不僅各方面條件都要達到規定要求，而且整體投入也比較高。在施工結束之后，還會有大量垃圾出現，建材資源沒有得到有效應用。在應用了3D 打印技術之后，能對施工建筑的諸多材料進行打印，這些材料多數來源于廢棄材料，因此能夠有效降低施工投入，同時達到循環利用的效果，對現有的自然環境給予了有效保護。

除此之外，在施工影響方面也有改善。早期在進行施工的時候，經常會有大量噪聲污染出現，并伴有大量粉塵和建材垃圾，不但會對施工環境造成巨大影響，而且會對周邊居民的生活帶來干擾。在應用了3D 打印技術之后，基本上不再會有大規模施工項目出現，在降低噪聲污染的同時，還能大幅度減少粉塵和垃圾，進而起到了環保的效果。

2.3 降低施工難度

伴隨社會的快速發展，人們對個性化需求方面有了更高的重視度。尤其是建筑設計，實際風格也變得極為多元化。不僅如此，現如今人們普遍傾向于流線型設計模式，但由于操作難度較大，給施工工作帶來了諸多困難。在應用了3D打印技術之后，能夠有效降低施工難度，提升建筑物結構的合理性，推動施工行業不斷進步。

2.4 提升施工水平

對建筑施工來說，本身屬于一些工程量相對較大的項目，有任何環節出現問題，都會對整個建筑物造成巨大影響。早期在進行建筑施工的時候，因受員工的能力限制，或者材料質量不達標，導致建筑施工未能達到預期。在應用了3D打印技術之后，對現有的材料進行重新分解，促使整個建筑物具備更為優秀的物理屬性，使用壽命有所延長。同時將人為因素造成的負面影響降至最低，無論是精確度還是綜合質量，都能得到有效保證[2]。

3.3D 打印技術的應用難點

3.1 材料要求苛刻

（1）價格較高。由于3D 打印技術當前仍然不夠成熟，還處在研究發展的階段，許多材料都十分昂貴。因此，如果施工企業需要應用這一技術，自然需要投入大量成本。

（2）通常而言，在進行施工的時候，對各類建材垃圾的應用難度較高，諸如混凝土、砂漿等。由于相關技術的發展水平不到位，并未達到輸出的要求，影響了實際效果。

（3）對于3D 打印技術的應用而言，材料一直都是其中非常重要的部分。工作人員主要采用管道的形式，完成運輸傳遞工作。然而，這類運輸模式的整體效率非常低。

3.2 打印過程缺乏靈活性

從當前情況來看，3D 打印技術的最大問題是整個過程無法逆轉，工作人員需要在工作項目開始前，按照規定要求，將相關數據資料填入，并設置對應的模型，制定全部流程。如果在打印的時候，設備無論出現哪方面的問題，工作人員都無法及時調整，更談不上解決。

3.3 對結構限制較高

對3D 打印技術來說，本身的適用性相對偏低，只能制作一些可以實現自我支撐的物件，而一些不能進行自我承重的物件，工作人員就需要通過使用3D打印的方式，為其額外設置一個支撐結構。如此自然就給打印工作帶來了諸多影響。不僅如此，少部分物品具有較大的跨度，基于現有的技術，暫時無法對其展開打印。這樣一來，自然讓3D 打印技術的應用范圍有所縮減。

3.4 人力成本較高

在進行生產工作時，普遍應用的3D打印設備都有著非常大的體形，整體操作難度相對偏高，而且在實際打印時，還要確保設備一直處于較為穩定的狀態。如此一來，自然需要耗費大量人力成本[3]。

4.3D 打印技術的應用趨勢

4.1 建筑設計層面

早期在進行建筑設計的時候，由于設計能力有限，設計思路往往比較狹窄。即便提出了一些較為先進的方案，通常因為施工能力有限，最終不得不選擇放棄。不僅如此，由于傳統設計工作基本上以構建圖紙的方式為主，即使有創新的思路存在，也很難依靠圖紙的形式進行表達。在應用了3D 打印技術之后，設計師只需要根據現有的情況，設計一個3D 模型，并將相關資料傳到計算機之中，就能直接展開施工工作。如此一來，設計思路就會得到全面拓展，實際設計的作品也將更具藝術化特點。在未來，3D打印技術繼續發展，廣大用戶直接從網絡下載相關資料，按照自己的想法，大膽嘗試，完成施工工作，或者設計相關方案，進而提升施工項目的自動化程度[4]。

4.2 建筑材料層面

如今，我國建筑行業已經開展了基于陶瓷以及黏土的材料探究，對早期的建材模式完全顛覆。不僅如此，伴隨3D打印技術的發展，未來還會有許多全新的復合類材料出現，同時對建筑剩余材料展開探索，實現循環利用的目標，提高材料應用率，縮減成本投入。此外，應用于3D 打印技術制作的材料，在物理性能層面，相比傳統材料更為優秀，因此就會使得未來建筑的綜合性能進一步提升，相關研究工作也會從早期的宏觀，慢慢過渡到微觀。混凝土是當前施工工作應用率最高的材料種類，伴隨3D 打印技術的快速發展，其基本性能會出現一定的轉變，諸如混凝土制造，將一些特定的水泥或者樹脂融入，經過攪拌后，使之更好地滿足打印工作的實際需求。

4.3 投入成本方面

從當前情況來看，在建筑施工的過程中，通過應用3D 打印技術，整體投入成本顯然更高。究其原因是此類技術尚處于開發階段，相關配套技術還沒有研究到位。而在未來，3D 打印技術將更加成熟，尤其是數字建模、建筑設計以及材料應用等技術將持續進步，使得3D 打印技術的整體投入成本有效下降，進而展現出更好的效果。

此外，伴隨3D 打印設備的普及，建筑企業只要在購入相關設備之后，定期展開更新即可，無須額外投入更多成本，因此使得企業的經濟效益持續提高。尤其是在3D 打印技術得到進一步普及后，每一個人都能按照自己的想法，對建筑物展開設計，或者建設外部環境。從某種角度來說，這是社會高度發展的重要體現。

4.4 功能技術方面

在未來，3D 打印技術還會進一步發展，不會局限在特定的行業之中。3D 打印設備，將能獨立完成施工工作、裝修工作，還能對一些無法獨立支撐的結構展開制造，使設計工作的思路變得更為開闊。相關設備也會逐步朝著人工智能以及遠程操作的方向發展，提高制作效果，適應各類不同的環境。即使沒有工作人員，同樣能夠自我檢查，找出自身的問題，及時予以維修，提升運用的實際效果[5]。

5.結束語

綜上所述，建筑施工行業，早期在進行施工設計的時候，一直采用傳統方案，效率極為低下。工作人員需要轉變態度，積極應用3D 打印技術，有效提高施工工作的整體效率，減少污染，同時保障施工人員的個人安全。相關人員需提高重視度，做好研究工作，充分發揮技術的優勢，推動整個建筑行業持續進步。