3D打印技術及其在裝配式建筑中的應用研究

成飛 劉欣

1.江蘇省泰興中等專業學校 江蘇 泰興 225499

2.江蘇金麟技術檢測鑒定集團有限公司 江蘇 泰州 225300

裝配式建筑是一種在工廠預制構件，然后在現場組裝的建筑模式。這種建筑方式能夠提高施工效率，減少浪費，并且有利于環境保護。然而，傳統的裝配式建筑在構件形狀和設計上存在一定的限制。而引入3D打印技術可以將復雜的建筑構件以及精美的外觀裝飾元素準確打印出來，為裝配式建筑提供了更多的可能性，對裝配式建筑行業的蓬勃發展具有重要的推動作用。

1 3D打印技術與裝配式建筑的內涵

1.1 3D打印技術

3D打印技術，也稱為增材制造（AM），是一種通過計算機控制的材料逐層疊加來創建三維形狀的制造方法。3D打印技術最早于1980年代開發，但由于技術難度和高昂的成本，應用范圍有限。但是隨著技術的不斷進步和價格的下降，3D打印技術才逐漸廣泛應用于建筑、機械等各個領域[1]。比如在建筑領域，3D打印技術可用于直接制造建筑構件，從而實現高度個性化的設計和復雜結構的實現。

1.2 裝配式建筑

裝配式建筑是一種工業化建造方式，它采用系統化設計、模塊化拆分、工廠制造和現場裝配的方式建造房屋。在工廠中，建筑構件被預先加工制造，然后在現場進行組裝，從而大大提高了施工效率并減少了浪費。裝配式建筑適用于規模化生產，其優勢在于快速、高效、節能、環保，并有助于降低建造成本。

2 3D打印技術在裝配式建筑中的應用優勢

隨著科技的進步，3D打印技術已經從一個概念性的技術變成了現實的解決方案，3D打印技術在裝配式建筑中的應用優勢明顯，可以提高生產效率、實現精確的建筑設計，滿足用戶的個性化需求、減少建筑垃圾的產生，具體表現如下：

2.1 提高裝配式建筑的生產效率

一方面傳統裝配式建筑需要在現場進行組裝，而3D打印技術可以在工廠預制構件，使得裝配過程更加迅速高效，縮短工期。另一方面通過精確地設計和規劃，3D打印技術不僅可以自動化地生產建筑部件，而且可以減少建筑材料的浪費，從而大大提高生產效率、降低生產成本[2]。

2.2 提高裝配式建筑的質量

基于三維掃描、三維建模和人工智能等技術的3D打印，不僅讓裝配式建筑設計師可以設計出傳統建筑方式難以實現的復雜建筑結構，而且由于3D打印技術的高精確性，可以保證構件的尺寸精準度和一致性，從而提高建筑的質量以及其穩定性、安全性。

2.3 減少裝配式建筑的人力成本

在傳統的建筑施工過程中，需要雇傭大量的工人來完成搬運和組裝建筑構件等各種繁重的工作，然而3D打印技術可以將建筑構件以層層疊加的方式打印出來，從而減少了傳統制造和組裝過程中的人力工作量[3]。這種高度自動化的制造方式不僅可以提高使得建筑構件的生產效率和精確度，同時減少了對人力的依賴，降低了建筑施工的人力成本，減少了因為人為因素引起的錯誤。

2.4 實現個性化的建筑設計

3D打印技術可以最大化發揮設計師的創意靈感，使建筑師能夠更快、更省力地展示他們的設計和創意想法，從而設計出更加獨特、個性化的裝配式建筑風格和裝飾，以滿足用戶的個性化需求[4]。因此3D打印技術以其快速定制和靈活性的優勢，能夠根據裝配式建筑師的設計意圖，直接將復雜的建筑部件打印出來，有效解決了裝配式建筑缺乏個性化的問題。

2.5 助力綠色建筑的實現

3D打印技術可以減少建筑垃圾的產生，降低生產裝配過程的環境濡染。傳統的建筑方式會產生大量的建筑垃圾，而3D打印技術可以最大化利用建筑材料，減少建筑垃圾的產生，有利于環保。另外，由于3D打印技術可以精確地控制建筑構件的制造，還可以減少不必要的材料使用，避免減少浪費的材料，進一步降低了建筑成本。

3 3D打印技術在裝配式建筑中的應用挑戰

3.1 技術成熟度不足，應用范圍有限

目前的3D打印技術在建筑行業中尚處于不斷探索和發展階段，技術的成熟度仍然需要時間的積累，因此3D打印技術可以打印的建筑材料、建筑尺寸限制、所打印建筑的穩定性和宜居性仍然有較大的發展空間。比如適用于3D打印技術的建筑材料對于強度、穩定性、可打印性、耐候性、可持續性都具有較高的要求，而目前可用于3D打印建筑的材料仍然比較有限，難以滿足所有類型的建筑設計和施工要求[5]。

3.2 對專業人員要求高，培養難度大

3D打印技術涉及機械原理、模具設計、房屋結構、混凝土結構原理、CAD繪圖、計算機編程等知識內容，同樣也要求3D打印的技術人員要必須精通計算機、機械、材料、建筑、土木、自動化等專業知識和技能，才能充分3D打印技術在裝配式建筑中的優勢。但是3D打印技術在裝配式建筑中的應用對于裝配式樣建筑設計和施工人員專業能力的高要求，也使得對專業人才的培養面臨著較大的困難。

3.3 法律法規和標準缺乏

目前，自2012年以來，中國多個部門相繼推出了《國家增材制造產業發展推進計劃（2015—2016年）》等3D打印產業政策，將3D打印產業發展提升至國家戰略層面。但是對于3D打印建筑的法律法規和行業標準還沒有完善，無法確保3D打印裝配式建筑的安全性和質量[6]。比如3D打印建筑的法律法規和標準缺乏，無法對于3D打印裝配式建筑材料的穩定性、環保性以及建筑結構的穩定性、安全性進行評估和規范，難以保障3D打印技術在裝配式建筑的應用價值。

4 3D打印技術在裝配式建筑中的應用

4.1 3D打印技術在裝配式建筑中的應用情況

3D打印技術的發展以及在裝配式建筑中的應用情況，與3D打印材料的發展以及3D打印的成型方式緊密相關。3D打印的成型技術主要有立體光固化、材料噴射、粘結劑噴射、粉末床熔融、材料擠出、定向能量沉積、薄材疊層等幾種，其中應用于建筑業的主要是粘結劑噴射、材料擠出、粉末床熔融和定向能量沉積四種，比如粉末床熔融打印利用高能激光束或電子束來熔化金屬粉末，一層一層地逐漸堆疊成形，能夠批量生產和定制制造具有較高分辨率的復雜結構和大型零件[7]。

根據3D打印技術的原理以及3D打印技術在裝配式建筑中應用情況（如表1所示），可以得知，自1997年3D打印技術開始在建筑領域應用以來，隨著3D打印技術的不斷成熟以及打印材料的不斷豐富，用于3D打印的建筑材料也逐漸多樣化和復合化，從不再局限于簡單的墻體打印，而是擴充到混凝土構件、金屬構件、玻璃構建、塑料構建，加大滿足了裝配式建筑的設計與施工需求。

表1 3D打印技術在裝配式建筑中的應用案例

4.2 3D打印技術在裝配式建筑中的應用場景

（1）建筑設計階段：3D打印技術在非標準化構建中設計和生產加工具有顯著的優勢，讓裝配式建筑設計突破了現有的制水平和建筑水準。特別是3D打印技術與BIM、增強現實、激光技術、熱成像技術的有機結合，極大提高了建筑設計的可視化、智能化、信息化程度，提高了建筑設計的效率。另外，在裝配式建筑的規劃和設計階段，建筑模型是非常重要的輔助工具。3D打印技術可以用于制作高質量的建筑模型，幫助建筑師和客戶更直觀地了解建筑設計和布局。

（2）建筑構件打印階段：目前3D打印技術主要應用于多層裝配式建筑的制造之中，其基本流程是先在工廠中打印各種建筑構件，再運輸到施工現在進行裝配，然后針對局部混凝土的澆筑和建筑外立面的修飾（如圖1所示）。在裝配式建筑中，3D打印技術不僅僅可以打印墻體，而且利用3D打印機的高精度和靈活性，可以生產出各種復雜形狀的構件，以滿足不同建筑設計的要求[8]。

（3）施工階段：傳統裝配式建筑施工現場經常會出現建筑構件在組裝時與現場環境產生較大誤差的問題，從而導致裝配式建筑構件的替換、返廠再造或廢棄，造成了較大的經濟損失和材料浪費。而3D打印技術可以根據現場的環境進行設計、打印和組裝，提高了裝配式建筑構件和組裝施工的精準性，大大減少了在裝配式建筑構件在設計、制造、裝配和修改中所花費的時間和精力。另外，在建筑主體和主要構件裝配完畢之后，也可以借助3D打印技術可以根據設計師的創意進行，制造出雕塑、立面裝飾板等各種精美的建筑外觀裝飾元素，為建筑增添藝術價值和個性化特色[9-11]。

（4）建筑的維護和節能改造階段：在建筑的維護方面，裝配式建筑相對于傳統建筑，可以更加方便快捷地對于一些損壞的建筑構件進行替換和修補。在借助三維掃描技術對裝配式建筑進行實掃描之后，使用3D打印技術還原出精確的模型，為裝配式建筑的修復工作提供參考和依據。另外在建筑的節能改造方面，3D打印技術可以制造出輕質、高強度的節能環保建筑材料和建筑構件，通過更換部分構件或外墻材料，提高建筑的隔熱性能和保溫性能，從而實現節能效果。

5 結語

綜上所述，3D打印技術為建筑行業帶來新的革命性變革，在提高裝配式建筑的生產效率和質量、減少裝配式建筑的人力成本、 實現個性化的建筑設計、助力綠色建筑的實現等方面發揮著重要作用，但是也面臨著3D打印技術成熟度不足、應用范圍有限、法律法規和標準缺乏、對專業人員要求高等眾多挑戰。但是隨著3D打印技術的不斷進步和相關政策的完善，以及建筑行業與科技、材料、制造等行業之間的緊密合作，相信在不久的未來3D打印技術以實現更加復雜多樣的建筑構件，極大拓展3D打印技術在建筑中的應用范圍，為裝配式建筑的發展帶來更多的創新和發展。