3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

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摘要：本文首先介紹了3d打印機(jī)的工作原理、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展現(xiàn)狀，然后闡述3D打印技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)和施工領(lǐng)域中的優(yōu)勢，最后重點(diǎn)探討3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域存在的問題與對策，以期為相關(guān)學(xué)者的研究提供參考。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；復(fù)合材料；建筑領(lǐng)域

英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志在《第三次工業(yè)革命》一書中，將3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一，引起了人們對3D打印技術(shù)的關(guān)注。目前，3D打印技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、珠寶、醫(yī)療及建筑等行業(yè)。本文主要分析3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。

13D打印的原理技術(shù)

3D打印技術(shù)即所謂的激光增材制造技術(shù)。打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料和砂等不同的“打印材料”，是實(shí)實(shí)在在的原材料，打印機(jī)與電腦連接后，通過電腦控制可以把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物［1］。剛開始時(shí)，3D打印技術(shù)常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)、醫(yī)療等領(lǐng)域被用于制造模型，之后嘗試用于一些產(chǎn)品的直接制造，這意味著這項(xiàng)技術(shù)不斷推廣普及。3D打印機(jī)和普通打印機(jī)最大的區(qū)別是打印材料。現(xiàn)有的3D打印技術(shù)能實(shí)現(xiàn)600像素的分辨率，每層厚度只有100μm，想完美地展現(xiàn)頭發(fā)絲還是很困難的，但做小零件、模型綽綽有余。打印技術(shù)的發(fā)展與打印材料息息相關(guān)，材料越細(xì)，做出來的東西精度就越高，使用領(lǐng)域就越廣。

2國內(nèi)外3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1國外3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代中期。1995年，3D打印機(jī)由美國ZCorp公司開始開發(fā)，這是獲得麻省理工學(xué)院唯一授權(quán)后開展工作的。2005年，ZCorp公司研制成功了市場上第一個(gè)高清晰彩色3D打印機(jī)——Spec⁃trumZ510。2010年11月，Urbee成為世界上第一輛由3D打印機(jī)打印而成的汽車［2］。2011年8月，第一架3D打印的飛機(jī)由南安普敦大學(xué)的工程師們開發(fā)成功。2012年11月，蘇格蘭科學(xué)家首次利用人體細(xì)胞，采用3D打印技術(shù)打印出人造肝臟組織，向世界展示了3D打印的非凡成就。

2.2國內(nèi)3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀

我國3D打印技術(shù)雖然處于初級(jí)階段，但3D打印設(shè)計(jì)服務(wù)市場快速增長，已有幾家企業(yè)利用3D打印制造技術(shù)生產(chǎn)設(shè)備和提供服務(wù)，所以我國3D打印技術(shù)也已處于世界領(lǐng)先水平。上海盈創(chuàng)建筑科技有限公司于2014年8月，僅花費(fèi)24h打印出10棟多層建筑，用于上海張江高新青浦園區(qū)內(nèi)當(dāng)?shù)貏?dòng)遷工程的辦公用房，現(xiàn)已交付使用。2015年1月，在蘇州工業(yè)園區(qū)使用3D打印技術(shù)建造數(shù)棟建筑。這批建筑包括一棟面積約1100m2的別墅、一棟5層試驗(yàn)樓和一棟簡易展廳。2015年12月，繼續(xù)在蘇州大陽山植物園推出3D打印廁所。大陽山植物園中的3D打印廁所屬于全球首個(gè)應(yīng)用3D打印技術(shù)的景區(qū)旅游3A級(jí)最高標(biāo)準(zhǔn)廁所，整個(gè)廁所通過使用3D打印技術(shù)，將復(fù)雜的傳統(tǒng)建筑工序變成以3D模型文件為基礎(chǔ)的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，這不僅有效提升了建筑效率，縮短了建筑工期，節(jié)省了建設(shè)成本，而且通過使用建筑垃圾和礦山尾礦等材料，實(shí)現(xiàn)對人體零傷害，對環(huán)境零污染及對資源零浪費(fèi)，在一定程度上提高了材料的循環(huán)利用率［3］。2015年8月23日，中共中央政治局常委、國務(wù)院總理主持國務(wù)院專題講座，討論加快發(fā)展先進(jìn)制造與3D打印等問題，并制定了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015—2016年）》。由此可以看出政府對3D打印技術(shù)的重視。

33D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的優(yōu)勢

在方案設(shè)計(jì)階段，使用3D打印模型輔助設(shè)計(jì)，能制作出任何復(fù)雜的空間曲面，相較于傳統(tǒng)模型，節(jié)省了大量人力、物力和時(shí)間成本，并且這種模型制作快速、環(huán)保、成本低，模型精美。同時(shí)，相對于3D效果圖為刻意營造唯美效果而造成的夸張性，3D打印模型卻真實(shí)和直觀得多。在與甲方進(jìn)行方案論述和溝通時(shí)，一個(gè)模型的展示往往可以省略很多文字和圖紙。此外，其還能解放建筑師的思想。當(dāng)建筑師的一些奇思妙想的設(shè)計(jì)方案用傳統(tǒng)建造方式無法完成時(shí)，3D打印可以將其設(shè)計(jì)方案付諸實(shí)現(xiàn)。無論多么復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只要能將圖紙?jiān)O(shè)計(jì)出來，利用3D打印技術(shù)便可一次成型，解決了傳統(tǒng)建造方式無法突破的難題。在建筑施工領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的應(yīng)用還處于研究階段，主要是利用3D打印技術(shù)建造出建筑或建筑構(gòu)件，簡單地說，就是用機(jī)器人建造房屋。因其具有數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化和定制化的特點(diǎn)，3D打印技術(shù)能降低成本，減少施工作業(yè)的危險(xiǎn)性，解決勞動(dòng)力短缺等問題，并改善建筑工人艱苦的勞動(dòng)環(huán)境。

43D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域存在的問題與對策

4.1打印材料

目前采用的打印材料主要是以混凝土為基材，存在抗拉強(qiáng)度低、抗裂性能差、韌性差、構(gòu)件易脆性破壞等問題。因此，研制具有良好抗拉性能的復(fù)合材料是建筑3D打印當(dāng)前發(fā)展的關(guān)鍵［4］。建議將粉末金屬與混凝土根據(jù)受力情況按比例融合，按照構(gòu)件受力性能添加不同材料，受壓區(qū)以混凝土為主，受拉區(qū)以金屬粉末為主，研制開發(fā)延展性能良好的復(fù)合材料。

4.2打印方式

目前，建筑3D打印采用的打印方式還局限于傳統(tǒng)的打印方式?！拜喞に嚒焙陀瘎?chuàng)采用的打印方式類似于FDM技術(shù)（熔積成型技術(shù)），該打印方式存在打印速度較慢的問題。雖然與傳統(tǒng)建造技術(shù)相比不需要模板，但同樣需要支撐，并且不能批量生產(chǎn)。筆者建議3D打印技術(shù)與裝配式建筑相結(jié)合?，F(xiàn)場安裝時(shí)，3D打印連接節(jié)點(diǎn)，解決裝配式建筑整體性和抗震性差的問題。

5結(jié)語

3D打印新技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了巨大變革。因此，要加強(qiáng)3D打印新技術(shù)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用，以解決傳統(tǒng)打印技術(shù)無法解決的問題。

參考文獻(xiàn)：

［1］王忠宏，李揚(yáng)帆，張曼茵.中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路［J］.經(jīng)濟(jì)縱橫，2013（1）：90-93.

［2］新華網(wǎng).上海10幢3D打印建筑交付使用建造僅用24個(gè)小時(shí)［EB/OL］.（2014-08-21）［2018-03-01］.

［3］白潔，葛杰，苗冬梅，等.3D打印在多層建筑中的應(yīng)用［J］.施工技術(shù)，2015（17）：84-86.

［4］王麗萍，徐蓉，苗冬梅，等.蘇州某試驗(yàn)樓項(xiàng)目3D打印實(shí)體建筑施工技術(shù)研究［J］.施工技術(shù)，2015（10）：89-91.

作者：孫雅瓊 王小平 單位：蘇州高博軟件技術(shù)職業(yè)學(xué)院 三江學(xué)院