3D打印技术在建筑领域的应用前景分析

成莞莞

(天津渤海职业技术学院，天津 300402)

3D打印技术在建筑领域的应用前景分析

成莞莞

(天津渤海职业技术学院，天津 300402)

通过介绍3D打印技术的概念、原理、所用材料以及应用范围，对比分析了传统建造技术和3D打印技术的优劣之处，总结了目前3D打印技术应用于建筑领域中存在的问题和解决思路，为3D打印建筑的研究、开发和应用提供了有益的思路。

3D打印，建筑领域，应用前景

1 概述

英国人在《第三次工业革命》一书中，将3D打印技术认定为第三次工业革命的重要标志之一，3D打印技术开始引起了人们的关注。3D打印行业被美国《时代》周刊评为“美国十大增长最快的工业”之一。目前该技术在建筑、工业设计、汽车、医疗产业、航天航空、工程和施工(AEC)和地理信息系统等领域得到了广泛应用[1]。

当今，随着全球经济的飞速发展、社会的迅速进步和城市化进程的加快，未来建筑及结构将朝着造型独特、轻质高强、绿色环保的新型建筑形式发展；同时，能源消耗高、牺牲能源换取效益的生产方式将难以为继，建筑行业需要寻找新型的建造方式[2]。建筑3D打印技术应运而生，是一种解决该问题十分有效的途径，它不仅满足建筑行业“绿色建筑”“生态建筑”和“环保建筑”的理念，更是为我国建筑业的发展指明了方向。

2 3D打印概况

2.1 3D打印的概念

3D打印(3 Dimensional Printing)技术，又称“增材制造”或“快速原型”技术，实质是快速成型技术。其作业过程是：首先，通过计算机软件设计立体数字模型文件，再利用特定的打印成型设备(俗称“3D打印机”)，用粉末化、丝化和液化的固体材料逐层“打印”再叠加成不同形状连续层的方式来构造三维物体[3]，其设计和制作流程如图1所示。

2.2 3D打印技术的成型形式

根据成型原理不同，3D打印技术成型形式主要有：SLA(激光固化光敏树脂成型)、FDM(熔融挤压堆积成型)、SLS(选择性激光烧结成型)和LOM(分层实体成型)等。四种成型技术的对比特点如表1所示。3D打印技术所用的原材料是一种新型材料，主要有ABS塑料、PC、树脂、石膏、尼龙、金属和陶瓷等，这些材料与一般意义上的石膏、塑料和树脂不同，其形态一般是粉末状、丝状和液态状[4]。

3 3D打印建筑

3.1 3D打印建筑技术

在20世纪70年代，国外的一些发达国家就已经开始着手研究“自动化建筑”。1997年，美国学者Joseph Pegna提出了一种新的建筑构件建造方法，该方法适用于水泥材料逐层累加并选择性凝固的自由形态构件[5]。从1998年开始，美国南加州大学教授Behrokh Khoshnevis一直致力于研究打印房子，其提出了“轮廓工艺[6,7]”的建筑3D打印技术。该技术通过利用大型三维挤出装置并配备带有抹刀的喷嘴，分层堆积打印混凝土。2007年，英国Monolite公司推出了一种名为“D-shape”的新型建筑3D打印技术。该技术利用粘结剂硬化每层砂砾粉末并逐层累加形成建筑实体。2008年，英国拉夫堡大学教授Richard Buswell提出了喷挤叠加“混凝土打印”工艺，该工艺三维自由度高和堆积分辨率小[8]。

表1 3D打印四种成型技术的对比

在我国，3D打印建筑技术的研究工作起步于2010年，主要可以分为以下3个方面[9]：

1)3D打印技术相关基础理论和技术应用综述方面的研究；

2)材料分层叠加相关技术的研究；

3)基于建筑设计理论的数字建造技术研究。可以说我国在3D打印建筑领域的研究起步较晚，已经远远落后于国外。

3D打印建筑技术是一种新型数字建造技术，根据混凝土等材料逐层堆叠的基本原理，通过计算机输入相应的形状、尺寸大小和其他信息，建立所需的三维建筑模型；然后，利用计算机技术将该模型分解成一定厚度的层片文件(一般情况下沿三维模型的Z方向)；接着，检验或修正所分解成的层片文件检查无误后，生成正确的数控程序；最后，由连接着计算机的大型打印设备按照指定的路径“打印”出所需建筑。整个打印过程如图2所示。目前，利用3D打印建筑技术“打印”建筑物的方式主要有全尺寸打印建筑、分段组装打印建筑和群组机器人集体打印建筑[10]。全尺寸打印建筑指的是利用一台大型的3D打印机将所需的建筑物按实际尺寸整栋打印出来。分段组装打印建筑指的是在工厂里预先把所需的小块建筑模型打印好，再运到现场进行组装。群组机器人集体打印建筑就是许多台3D打印机共同工作，完成整栋房屋的打印工作。

三种打印建筑方式的特点对比如表2所示。

表2 3D打印建筑方式的特点对比

3.2 3D打印技术在建筑领域应用的优势

与传统的建筑技术相比，3D打印建筑技术所具有的优势主要表现在：

1)和传统建筑形式相比，3D打印建筑技术的施工技术更快，生产效率更高，可以极大地压缩建造工期和投资回收期；

2)大大减少了所需的劳动力，3D打印过程中占用的人力资源很少，产生的人力成本几乎可以忽略不计；

3)在生产过程中不需要搭建脚手架和使用模板，能够大幅节约生产成本；

4)在3D打印过程中几乎可以不产生任何噪声和废料，大大减少了建筑垃圾和粉尘，符合低碳、绿色、环保的建筑理念；

5)降低了施工作业危险，保障了作业人员的人身安全，减少事故和伤亡；

6)可以建造复杂、特殊和个性化的建筑产品；

7)遵照计算机程序，打印完一层自动爬上一层，非常有序，保证了结构的稳定性和产品的质量。

3.3 3D打印技术在建筑领域的应用前景分析

当前，3D打印技术主要应用于建筑领域的建筑设计阶段和工程施工阶段。建筑设计阶段，主要是应用3D打印技术将虚拟中的三维设计概念模型直接打印成实体建筑模型，该方法具有节能环保、成型快和成本低等优点。工程施工阶段，主要是利用3D打印技术建造建筑，在减少资源浪费和能源消耗的同时，有利于促进新型城镇化建设，推动我国的城市化进程。同时，3D打印技术在现阶段也存在一定的局限性，主要有：

1)打印材料相对单一，目前常用的3D打印材料均是具有较好的抗压性能，而抗拉性能相对较差，当出现拉应力超过材料的容许拉应力(抗拉强度)时，在材料内部极易出现裂纹；

2)3D打印建筑没有成熟的设计理论和方法可以借鉴，应用范围基本局限于低层和多层建筑；

3)施工工艺方面，3D打印建筑未达到必要强度时的支撑问题、找平问题和配筋问题。

4 结语

当前，3D打印建筑技术的研究还处于起步阶段，其本身还存在一些目前未能有效突破的技术瓶颈。因此，3D打印建筑技术距离大规模应用在各类建筑结构形式中还有很长的路需要走。但是，3D打印建筑技术具有将建筑结构、建筑形式和建筑材料等因素进行高度整合的优点，是一种全新的设计逻辑和建造模式，体现的是未来数字设计建造模式下一种全新的建筑生态关系，代表了未来建筑数字化发展的方向。3D打印技术“制作简单快速、节能环保、低成本”的优势颠覆了传统建筑业，必将成为未来建筑领域的新标杆。

[1] 钱玉娟.3D打印:打出未来[J].中国经济信息,2013(6):56-57.

[2] Lim S,Buswell R A,Le T T,et al.Developments in construction-scale additive manufacturing processes[J]. Automation in Construction,2012(21):262-268.

[3] 王忠宏,李扬帆,张曼茵.中国3D打印产业的现状及发展思路[J].经济纵横,2013(1):90-93.

[4] 杨建江,陈响.3D打印建筑技术及应用趋势[J].施工技术,2015,44(10):84-88.

[5] Pegna J.Explora tory investigation of solid free form construction[J].Automation in Construction,1997,5(5):427-437.

[6] KHOSHNEVIS B,BEKEY G.Automated construction using contour crafting-applications on earth and beyond[J].NISTSPECIAL PUBLICATION SP，2003(5):489-494．

[7] KHOSHNEVIS B,HWANG D,YAO K T,et al.Mega-scale fabrication by contour crafting[J].International Journal of Industrial and Systems Engineering,2006,1(3):301-320.

[8] Soar R,Andreen D.The role of additive manufacturing and physiomimetic computational design for digital construction[J].Architectural Design,2012,82(2):126-135.

[9] 丁烈云,徐捷,覃亚伟.建筑3D打印数字建造技术研究应用综述[J].土木工程与管理学报,2015,32(3):1-10.

[10] 王子明,刘玮.3D打印技术及其在建筑领域的应用[J].混凝土世界,2015(1):50-57.

Application prospect of 3D printing technology in construction field

Cheng Wanwan

(TianjinBohaiVocationalTechnicalCollege,Tianjin300402,China)

Through introducing the concept, principle, materials and application scope of 3D printing technology, analyzed the advantages and disadvantages of traditional construction technology and 3D printing technology, summarized the problems and solutions of 3D printing technology in the field of construction, and provided useful ideas for the 3D printing architecture research, development and application.

3D printing, architectural field, application prospects

1009-6825(2017)22-0257-02

2017-05-22

成莞莞(1988- )，女，硕士

TP319