淺析3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的發(fā)展及優(yōu)缺點(diǎn)

文/蔣艷丹、吳凱、黃華 金陵科技學(xué)院 江蘇南京 211100

淺析3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的發(fā)展及優(yōu)缺點(diǎn)

文/蔣艷丹、吳凱、黃華 金陵科技學(xué)院 江蘇南京 211100

3D打印技術(shù)對于我們并不陌生，它不僅可以打印小件物品，其在建筑領(lǐng)域的發(fā)展我們也有所耳聞。我就將3D打印建筑的發(fā)展歷程及其優(yōu)缺點(diǎn)做一些簡單的分析。

3D打?。唤ㄖ?；優(yōu)缺點(diǎn)

一、3D打印技術(shù)的概念及發(fā)展

3D打印即快速形成技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)的，可以運(yùn)用多種材料，例如粉末狀金屬或者塑料或者水泥等可粘合材料，利用通層打印方法來構(gòu)造物體的技術(shù)。

3D打印技術(shù)的的一個里程碑是在1986年，Charles Hull率先提出的光固化方法，他創(chuàng)立的公司也在1988年生產(chǎn)出了全世界第一臺3D打印機(jī)。同年，美國人Scott Crump發(fā)明了另外的一種3D打印技術(shù)——熔融沉積造。三年后，C.R.Dechard發(fā)明了選擇性激光燒結(jié)法，它的原理是讓高強(qiáng)度激光把材料粉末燒結(jié)直至成型。在1993年，麻省理工大學(xué)教授Sachs發(fā)明了三維印刷工藝，把金屬、陶瓷這些材料磨成粉末，再噴射粘結(jié)將材料逐片成型，最后燒結(jié)成最終所需要的產(chǎn)品。這就是3D打印技術(shù)的發(fā)展過程。

二、3D打印建筑的優(yōu)劣勢

（一）加工傳統(tǒng)方法難以加工的零件

在3D打印技術(shù)可以打印假肢、汽車、飛機(jī)的今天，它還在創(chuàng)造無限的可能。 首先3D打印技術(shù)可以加工傳統(tǒng)方法難以制造的零件。過去傳統(tǒng)的制造方法就是一個毛坯，把不需要的地方切除掉，是多維加工的，或者采用模具，把金屬和塑料融化灌進(jìn)去得到這樣的零件，這樣對復(fù)雜的零部件來說加工起來非常困難。立體打印技術(shù)對于復(fù)雜零部件而言具有極大的優(yōu)勢，立體打印技術(shù)可以打印非常復(fù)雜的東西。

（二）3D打印建筑出成果速度快

我們是學(xué)建筑學(xué)的，除了參與設(shè)計建筑之外，還會對建筑的施工建設(shè)階段有一定的了解。建筑的精髓在于設(shè)計，那么施工如果能做到完美，那么也可以看作是精華。一棟20層高的樓，快則半年，慢則一年才嫩施工完畢。但是3D打印建筑可以節(jié)省一大半的施工時間，因為零部件都是可以打印出來的，后期只要組合即可。

（三）強(qiáng)度比普通混凝土更高

3D打印建筑的墻體看上去就跟用水泥建造出來的一樣。與傳統(tǒng)建筑的墻體不同的是，3D打印的墻體呈現(xiàn)出年輪蛋糕般的螺紋結(jié)構(gòu)，用手指敲敲墻體，可以聽到空空的聲音。打印建筑的3D打印機(jī)，其原理與小的打印機(jī)是一樣的。噴口噴射出的油墨呈“Z”字形排列，層層疊加，壘成墻體。澆到“墨水”的地方，砂石材料會在一天內(nèi)固化。打印出來的建筑從頭到尾只是相當(dāng)于一個個的“零部件”，但是傳統(tǒng)建筑是由很多個不同的磚塊以及混凝土、砂石以及水泥這些組合而成。因而利用3D技術(shù)打印出來的建筑在強(qiáng)度上會比混凝土強(qiáng)度更強(qiáng)。3D打印出來的建筑構(gòu)件質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，為了加強(qiáng)墻體的牢固度，墻體內(nèi)都采用了三角形的支撐結(jié)構(gòu)，所以理論上其抗震效果也會更佳。

（四）3D打印出來的建筑成本更低，更環(huán)保

現(xiàn)在建造房屋的成本，主要有材料、人工和浪費(fèi)三部分。而通過3D打印，可以以更低的造價、更快的工期造好房子。平層、兩層的建筑，可直接把建筑打印出來，運(yùn)送到指定位置使用；如果是三層或以上建筑，可以先分開打印建筑的不同部分，然后運(yùn)送到目的地，在地基上進(jìn)行組裝。原材料多來源于建筑垃圾、工業(yè)垃圾等，可以就地取材，通過技術(shù)處理、加工、分離，使之成為3D打印建筑“油墨”的原材料，避免了沙子、石子等材料的運(yùn)輸。而且，3D打印建筑不產(chǎn)生任何揚(yáng)塵，也不產(chǎn)生建筑垃圾。

（五）3D打印的建筑更加自由

在上面我就提到過，打印出的建筑可以組合而成，在某一種程度上，他在設(shè)計和打印的時候，出坡了某些限制和約束，可以讓設(shè)計師在創(chuàng)作思路上有更大的想象和發(fā)揮空間，不如任意形狀的建筑、自由式的管道鋪設(shè)等等。

（六）3D打印的建筑更加精美，能與藝術(shù)完美融合

3D打印的好處就是可以將計算機(jī)中的設(shè)計精確轉(zhuǎn)化為實(shí)體，甚至直接制造零件或模具，一次成型整體樣件。也就是說，可以大大節(jié)省把設(shè)計轉(zhuǎn)化成模型的時間和金錢。傳統(tǒng)的成品模型都是通過機(jī)械切割、手工等方式制造，在精度和表現(xiàn)形式上有一定局限性，而使用3D打印機(jī)，不管多么復(fù)雜的設(shè)計模型，只要有相關(guān)的三維數(shù)據(jù)，3D打印機(jī)都可以精確地制造出來，而且速度要快很多，更能表現(xiàn)出設(shè)計者的藝術(shù)形式。

（七）與傳統(tǒng)建筑構(gòu)造業(yè)取長補(bǔ)短

由于定制化市場得到激發(fā)，一些新的商業(yè)模式也隨之產(chǎn)生，建筑師可以利用在線定制的方式更活躍地參與到行業(yè)設(shè)計中，這將給建筑設(shè)計帶來更大的創(chuàng)意和施展空間。設(shè)計師設(shè)計的任何復(fù)雜的、高難度的、傳統(tǒng)制造方式不能生產(chǎn)的產(chǎn)品，利用3D打印都可以輕松地打印出來。但是，傳統(tǒng)制造業(yè)所擅長的批量化生產(chǎn)，恰恰是3D打印的短板。比較來看，3D打印技術(shù)擅長解決個性化、復(fù)雜化、高難度的生產(chǎn)技術(shù)，而傳統(tǒng)制造業(yè)則擅長的是批量化和規(guī)?；?，彼此之間優(yōu)劣態(tài)勢正好形成互補(bǔ)關(guān)系。

上面這些優(yōu)點(diǎn)會給建筑行業(yè)帶來蓬勃的生機(jī)，但是就目前情況來看，3D打印建筑并沒有得到很好的發(fā)展，可能與以下因素有關(guān)：

一是技術(shù)太過年輕，并不成熟，據(jù)統(tǒng)計，3D打印機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)品中80%依舊是產(chǎn)品原型，僅有20%是最終產(chǎn)品。雖然3D打印機(jī)技術(shù)在21世紀(jì)初已取得不小的進(jìn)步，比如材料增多、打印機(jī)和原材料價格逐漸下降，但在2012年左右，依舊是一項年輕的技術(shù)，在沒有變得更加成熟和廉價前，并不會被企業(yè)大規(guī)模采用。

二是暫缺行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，全面推廣仍處探索階段?，F(xiàn)在，3D打印建筑要全面推廣，面臨的主要難題就是缺乏專門的國家標(biāo)準(zhǔn)，因此我們只能把現(xiàn)有的一些標(biāo)準(zhǔn)作為參考進(jìn)行驗收。理論上3D打印建筑可以不需要鋼筋，但我國的建筑沒有鋼筋就無法驗收。因此，由于無法現(xiàn)場打印，其成本和效率都會受到一些影響。

三是打印材料受到限制。3D打印在建筑新材料開拓和建筑工藝上的創(chuàng)新探索值得稱贊，不過3D打印房屋要真正普及，恐怕還需斟酌。比如3D打印的“油墨”主要是由高標(biāo)號水泥和玻璃纖維構(gòu)成。而據(jù)我所知，某些國家禁止建筑大量使用玻璃纖維，因為玻璃纖維會影響人體呼吸系統(tǒng)。所以，材料選擇也成為一個難題。