探討建筑工程與3D打印相結(jié)合及應(yīng)用前景

李念勇（上海海龍良策工程顧問有限公司， 上海 200060）

0 引 言

3D 打印對于我們普通人來說都不陌生，其中文名為三維打印，外文名為 3D Printing（3DP）；國外翻譯過來又稱添加制造技術(shù)、增材制造技術(shù)和增量制造技術(shù)。第一臺3D 打印機(jī)是由美國科學(xué)家查克·赫爾（Chuck Hull）發(fā)明于 1986 年。

何謂 3D 打印，美國科學(xué)家給出定義：一種使用直接制造和三維模型技術(shù)相結(jié)合的三維物理實體模型的加工方法，利用三維 CAD 成型技術(shù)對材料進(jìn)行逐層的加工工藝，包括在生產(chǎn)過程中的快速制造相關(guān)聯(lián)的打印工藝和材料加工前期快速原型技術(shù)。從打印技術(shù)的發(fā)展來看，2D 打印機(jī)的廣泛應(yīng)用影響到繪畫、書法、攝影甚至傳統(tǒng)印刷；3D 打印在 20 世紀(jì)七八十年代開始發(fā)展至今已近 30 年，影響到雕塑、模型制作、日常用品生產(chǎn)、工業(yè)制造等領(lǐng)域，甚至影響到建筑工程領(lǐng)域。未來3D打印與建筑工程領(lǐng)域緊密的結(jié)合，將會給建筑領(lǐng)域帶來顛覆性的變革，賦予人類前所未有的想象。

1 建筑工程與 3D 打印結(jié)合的形式

3D 打印與建筑工程結(jié)合分為三種形式：第一種形式為半裝配式加 3D 打?。坏诙N形式為全裝配式加 3D 打??；第三種形式為建筑工程全過程 3D 打印。

1.1 半裝配式加 3D 打印

所謂半裝配式加 3D 打印就是將承重結(jié)構(gòu)梁、柱、剪力墻現(xiàn)場現(xiàn)澆，樓板為預(yù)制樓板加現(xiàn)澆疊合層半預(yù)制；外墻、樓梯、陽臺使用 3D 打印，按裝配式建筑施工方式安裝，這種 3D 打印形式不是簡單的打印，墻、樓梯、陽臺里面沒有鋼筋，利用特殊的材料制成增材，用來提高整個混凝土構(gòu)件的抗拉、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能。從現(xiàn)階段國內(nèi)目前的情況看，大部分都采用半裝配式加 3D 打印。

1.2 全裝配式加 3D 打印

全裝配式加 3D 打印，顧名思義，就是其生產(chǎn)施工流程和現(xiàn)代的工業(yè)化住宅裝配式結(jié)構(gòu)建筑相同。建筑物的梁、柱、剪力墻、樓梯、陽臺等提前進(jìn)行建筑工業(yè)模塊化設(shè)計，用 3D 打印機(jī)在加工廠打印出來，最后運送到施工現(xiàn)場對其進(jìn)行拼裝，就像搭積木一樣蓋房子。

1.3 全過程 3D 打印

建筑工程的全過程 3D 打印又分為以下兩種形式。

（1）第一種形式是在建筑的大體范圍內(nèi)固定好預(yù)制鋼筋結(jié)構(gòu)，再將建筑圖紙數(shù)據(jù)輸入到 3D 打印機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)中，3D 打印機(jī)自動操作將調(diào)配好的油墨分層噴射或者擠出在鋼筋上形成建筑物。這種方式?jīng)]有完全擺脫原有建筑技術(shù)的影子，還需人工進(jìn)行綁扎、安裝鋼筋。優(yōu)點是無需加工，只需安裝模板，省下模板分部分項工程這道工序，單位鋼筋用量減少。與原有混凝土澆筑技術(shù)的主要區(qū)別在于 3D 打印機(jī)連接的是一個大型機(jī)械噴頭和商品混凝土布料桿澆筑機(jī)械。2017 年，在中國北京通州區(qū)宋莊鎮(zhèn)富豪工業(yè)區(qū)，就采用這種方式打印建造了兩層別墅。可能是由于打印機(jī)的分辨率不高，在別墅墻面上呈現(xiàn)出像水紋一樣的層疊印痕。據(jù)此項目負(fù)責(zé)人介紹，這是世界上第一個3D 整體打印的別墅，縮短工期至 45 d，機(jī)械施工能減少80%～90% 的人工成本。由于 3D 打印建筑全都利用油墨，幾乎沒有原料浪費，建筑垃圾少，工程總造價降低。

（2）第二種形式突破 3D 打印的半裝配式和全裝配結(jié)構(gòu)，是建筑產(chǎn)業(yè)由傳統(tǒng)施工完全蛻變?yōu)榻ㄖ圃鞓I(yè)的華麗轉(zhuǎn)身，運用虛擬裝配技術(shù)和計算機(jī)仿真技術(shù)，真正實現(xiàn)智能化制造，是最前沿最頂端的技術(shù)。

2 建筑工程與 3D 打印結(jié)合交叉技術(shù)

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云平臺、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能制造的快速發(fā)展，3D 打印建筑走入我國公眾視野至今已有兩年。油墨和打印設(shè)備是這項新技術(shù)的核心。3D打印的主要步驟為：掃描-建模-切片-打印-后處理。

2.1 建 模

首先，設(shè)計院依照建筑設(shè)計圖通過計算機(jī)軟件如 CAD設(shè)計軟件或者三維空間掃描立體成型軟件等，結(jié)合 BIM 技術(shù)應(yīng)用，設(shè)計出立體的數(shù)字化、數(shù)據(jù)化、個性化、定制化模型，由網(wǎng)絡(luò)傳輸給特定 3D 打印機(jī)。設(shè)計軟件和打印機(jī)之間協(xié)作采用的標(biāo)準(zhǔn)文件格式為 STL 文件格式。一個 STL 文件使用三角面來近似模擬物體的表面，若三角面越小，則其生成的表面分辨率就越高?；蛘?，通過 PLY 掃描產(chǎn)生三維文件，如 VRML 文件或 WRL 文件，以全彩打印的格式輸入文件。

2.2 油 墨

打印增材，即打印所得的原材料，是由一種特殊的材料制成。原料主要來自于礦山尾礦、工業(yè)垃圾和建筑垃圾，以及金屬、陶瓷、塑料、砂、水泥和特殊的外加劑所組成的材料，經(jīng)過建筑垃圾加工和分離、處理及特殊玻璃纖維強(qiáng)化形成油墨。作為一種建筑材料，這種特殊的油墨也包括凝膠材料、骨料、外加劑材料。凝膠材料除了含有水泥以外，還含有水玻璃、樹脂、地聚合物、石膏等。對骨料的要求，比傳統(tǒng)混凝土的要求更高，除了強(qiáng)度更高、密度更小，顆粒形貌接近球型，最大粒徑應(yīng)在 10 mm 以下以外，對顆粒級配、含泥量、有害物質(zhì)含量等指標(biāo)要求更加嚴(yán)格。外加劑要求具有多種功能，必須是一種復(fù)合型的超塑化劑，具有良好的適應(yīng)性，在管道內(nèi)具有優(yōu)異的流動性，工作性能好。這些材料最后配比成一種液化、粉末化、絲化的粘合性的復(fù)雜多樣 3D 打印機(jī)油墨材料，經(jīng)過逐層打印的方式來構(gòu)造建筑物。原材料的配方實現(xiàn)了建筑垃圾的二次利用和再生利用，節(jié)省了建筑原材料的費用，大大減低了傳統(tǒng)建筑方式對于環(huán)境的破壞。

為確保油墨在堆疊過程中不會坍塌，也就是當(dāng)噴嘴噴出第二層油墨時，第一層油墨必須是處于半凝固狀態(tài)，既不能流動，又要與第二層粘合，就必須要求油墨的凝固時間與機(jī)器的打印時間保持一致。此外，油墨還必須滿足不同地區(qū)適應(yīng)不同地理氣候環(huán)境的要求。

2.3 打印成型技術(shù)

目前，流行的 3D 打印成型技術(shù)有多種，主要有 3DP技術(shù)、SLS 選區(qū)激光燒結(jié)、FDM 熔融層積成型技術(shù)、LOM分層實體制造技術(shù)、SLA 立體平版印刷技術(shù)。用于建筑物打印主要是 3DP 技術(shù)，它又分為三種工藝：D 型工藝（D-Shape）、輪廓工藝（Contour Crafting）和混凝土打印（Concrete Printing）。用此工藝的打印機(jī)通過掃描橫截面數(shù)據(jù)，逐層創(chuàng)建各部件，也就是逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印，最終把計算機(jī)上的三維立體藍(lán)圖變成實物。

2.4 3D 打印設(shè)備

3D 打印設(shè)備是一種由擠出或噴射巨型機(jī)械構(gòu)成的打印機(jī)。打印方式分為三種：全尺寸打印、分段組裝式打印和群組機(jī)器人集體裝配式打印。

2.4.1 全尺寸打印方式

建筑越大，全尺寸打印方式的 3D 打印設(shè)備所需要的3D 打印機(jī)也就越大，打印機(jī)尺寸一旦變大，打印精度就相對變差，這就是它的局限性。據(jù)了解，打印設(shè)備是由擬打印建筑兩邊鋪設(shè)的軌道、架設(shè)的兩個支架和一個可移動的大型噴頭所組成，有的類似雙龍門吊樣式結(jié)構(gòu)，打印機(jī)可像塔吊一樣升降等。例如，2014 年 8 月，在上海張江高新青浦園區(qū)用高 6.6 m、寬 10 m、長 32 m 的 3D 打印機(jī)建筑打印 10 幢小屋，底面占地面積足有一個籃球場那么大，高度足有 3 層樓高，打印機(jī)長度還可以延伸，完全拉開足有150 m。據(jù)悉，荷蘭最近開發(fā)一種新型 3D 打印設(shè)備，打印精度高，體積相對較小，只有 11 m×5 m×4 m。

2.4.2 分段組裝式打印

分段組裝式打印是在工廠里將每塊組裝部件打印好，最后在現(xiàn)場進(jìn)行組裝。雖然這種分段組裝式打印機(jī)的占地面積相對較小，但是組裝成本高，仍具有局限性。例如，2015 年 1 月 18 日，在蘇州工業(yè)園區(qū)，采用分段組裝式打印方式 3D 打印了一棟 6 層（地上 5 層地下 1 層）建筑物和一套占地面積為 1100 m2的別墅。

2.4.3 群組機(jī)器人集體打印裝配

群組機(jī)器人集體打印裝配采用 3D 打印機(jī)群組，以一種自組織自協(xié)調(diào)的群體智能方式完成建筑物的打印裝配，涉及到現(xiàn)在流行的人工智能技術(shù)。這種打印機(jī)組的尺寸與建筑尺寸無關(guān)，對打印機(jī)的智能要求也可以大大降低。但是，目前這項技術(shù)還不夠成熟，運行與維護(hù)的成本也很高，因此掌握者甚少。

3 我國建筑工程與 3D 打印結(jié)合的利與弊

3.1 建筑工程結(jié)合 3D 打印的優(yōu)點

3D 打印建筑是集軟件、測量、數(shù)控、激光、CAD 建模、MBI 技術(shù)和材料等多學(xué)科于一體的復(fù)雜的綜合學(xué)科合作，是一種多形態(tài)發(fā)展的技術(shù)，不僅很好地繼承了制造業(yè)流水線生產(chǎn)和智能化制造的思路，而且還適應(yīng)現(xiàn)代建筑技術(shù)發(fā)展的必要需求。

3D 打印建筑具有 3D 打印數(shù)字、分層、堆積、直接和快速等多方面的制造優(yōu)點。

（1）建筑工程利用 3D 打印，能精確地用函數(shù)表達(dá)一些曲面非線性的建筑，尤其在曲面結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的制造中，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)制作的缺陷；一些具有特性的建筑以及研制的新式建筑，都可以打印出來，作為建筑模型制作的一種補(bǔ)充。

（2）建筑工程利用 3D 打印，在施工環(huán)節(jié)不需要額外進(jìn)行深化設(shè)計，去人工拼接板，可做到無縫整體性效果。

（3）建筑工程利用 3D 打印，對建筑師而言，能便于水暖電與結(jié)構(gòu)專業(yè)檢查三維管道管線碰撞；對土木工程師而言，能創(chuàng)造微縮模型及足尺模型，進(jìn)行各種試驗，檢驗有限元模型分析的結(jié)果。

（4）建筑工程利用 3D 打印，還可以進(jìn)行設(shè)計方案的評定、建筑總體與裝修的展示評價、科學(xué)計算數(shù)據(jù)實體可視化等，為建筑工業(yè)化發(fā)展提供了無限的可能，提高整個建筑行業(yè)技術(shù)水平和技術(shù)創(chuàng)新。

（5）3D 打印建筑物從原材料的制作到材料的半成品，從材料的強(qiáng)度精確測算到打印過程，都實現(xiàn)了數(shù)字化監(jiān)控。

（6）從原料到油墨材質(zhì)，其要求都高于現(xiàn)代傳統(tǒng)方式的建筑材料。

（7）打印過程通過機(jī)化數(shù)控完成，避免了傳統(tǒng)建設(shè)方法中人為因素影響建筑質(zhì)量，從而保證了建筑質(zhì)量和建筑壽命。

（8）3D 打印可節(jié)約建筑材料 30%～60%，縮短工程施工工期 50%～70%，減少人工 50%～80%，至少能使建筑成本降低 50% 以上。

3.2 建筑工程結(jié)合 3D 打印的弊端

3D 打印屬于新型高新處技術(shù)，有著獨特的運作模式。在我國 3D 打印在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化方面雖然有了一定的進(jìn)展，但現(xiàn)階段還處在概念及實驗階段。因為這是一個涉及到材料科學(xué)、機(jī)械制造、設(shè)計學(xué)、土木工程理論的交叉學(xué)科，綜合性較復(fù)雜，受制于結(jié)構(gòu)理論，理論研究未能跟上。在學(xué)術(shù)理論研究領(lǐng)域，中國仍然是初級階段，3D 打印建筑在可制造材料、計算機(jī)建模、打印技術(shù)、與現(xiàn)階段勞動密集型企業(yè)用工制度的沖突等方面存在弊端。

（1）由于可制造材料有限，用于建筑工程的某些金屬、氯氧鎂水泥等已有材料，比較昂貴且稀少。不能夠進(jìn)行規(guī)模的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，制作成本偏高，致使 3D 打印技術(shù)的推廣受到了一定的限制。還有 3D 打印所用的增材的特性、力學(xué)性能指標(biāo)、物理、化學(xué)性能指標(biāo)（耐寒、耐腐性、耐高溫、耐久性等）、顆粒大小、熱學(xué)、粉末顆粒可溶性、光學(xué)等特征沒有做出科學(xué)的、系統(tǒng)的研究；這些特性還是3D打印所要求的加工精度、機(jī)械性能，特征分辨率和表面質(zhì)量的一個有待研究的問題。

（2）3D 打印靠計算機(jī)建模軟件建模，3D 打印專業(yè)人士還要知道 CAD 成型技術(shù)、MBI 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、機(jī)械運行技術(shù)等廣泛的綜合技術(shù)，這種復(fù)合專業(yè)人才的培養(yǎng)還需較長時間。

（3）我國的 3D 打印技術(shù)與發(fā)達(dá)國家相比仍有較大差距，如層和層間連接再怎樣嚴(yán)密，無法與傳統(tǒng)鍛件相媲美，還有沒有形成產(chǎn)業(yè)鏈、工業(yè)環(huán)境不配套等。在一些核心技術(shù)和關(guān)鍵器件上也仍然對國外依賴較大。

（4）社會和諧、安定團(tuán)結(jié)、大環(huán)境、建筑從業(yè)人員基數(shù)不能在短期內(nèi)實現(xiàn)普及建筑工程上利用 3D 打印。據(jù)不完全統(tǒng)計中國建筑從業(yè)人員 5000 余萬人，建筑勞務(wù)人員4000 余萬人，建筑工程普及 3D 打印，這么多人就會失去掙錢的收入渠道，會給社會帶來不安定因素，給國家?guī)砘靵y。

4 建筑工程應(yīng)用 3D 打印的前景

3D 打印建筑是一種全新的建筑方式。3D 打印建筑可以消耗建筑垃圾和廢品，卻能生產(chǎn)出漂亮的建筑。它完全可以就地取材，回收建筑垃圾、工業(yè)垃圾和尾礦，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，讓建筑垃圾回到建筑中，新建建筑環(huán)保且不產(chǎn)生垃圾。建筑工程結(jié)合 3D 打印的建筑價值體現(xiàn)在：（1）節(jié)約資源、綠色環(huán)保；（2）改善城市的空氣質(zhì)量，降低了揚(yáng)塵和污染；（3）建筑垃圾可再生利用；（2）建造的效率高，建筑成本降低 50% 以上，生產(chǎn)效率提高；（4）3D 打印建筑還具有藝術(shù)性和概念性，可以實現(xiàn)建筑的私人訂制；（5）3D 打印建筑的施工現(xiàn)場，不再是車輛進(jìn)出頻繁，人員往來密集，建筑材料大量堆放，攀爬、砌磚、抹灰等凌亂無序的場景，而是只需若干名技術(shù)人員按照電腦中設(shè)計好的三維立體模型，操控 3D 打印設(shè)備，一次成型，完成建筑構(gòu)造。

隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，新技術(shù)推動了建筑的革新，不僅是 3D 打印，還有納米科技、人工智能、新能源產(chǎn)業(yè)等這些新科技元素以及生物科技融入建筑中。對于未來建筑而言，人類可以到海底打印建筑，去外星球打印房子，這些夢想都將會變成現(xiàn)實。

5 結(jié) 語

對物質(zhì)世界的認(rèn)識，不僅僅是 3 個維度的空間信息，還包括作用力、物質(zhì)、材料等這些內(nèi)在實質(zhì)性的復(fù)雜性元素。從模擬、設(shè)計到 3D 信息再現(xiàn)，是一個很理想化的創(chuàng)新理念。最近，住建部出臺的《2016—2020 年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》指出：“積極開展建筑業(yè) 3D 打印設(shè)備及材料的研究。結(jié)合 BIM 技術(shù)應(yīng)用，探索 3D 打印技術(shù)運用于建筑部品、構(gòu)件生產(chǎn)，開展示范應(yīng)用。”這說明 3D 打印建筑得到了國家的認(rèn)同和支持。當(dāng)前，信息技術(shù)在建筑業(yè)中高速發(fā)展，推動著住宅工業(yè)化向自動化、集成化、智能化發(fā)展，必然會促進(jìn) 3D 打印與建筑工程的結(jié)合。到時候，房屋的建造周期將大大縮短，施工效率極大提高，不僅有效節(jié)省房屋建造的人力、物力、財力等各項資源，而且建造出來的新型建筑具有綠色環(huán)保、節(jié)約資源的優(yōu)點。因此，掌握了增材制造和 3D 打印設(shè)備與建筑工程結(jié)合這一技術(shù)制高點，就能擁有建筑業(yè)的話語權(quán)，就能搶占建筑市場的先機(jī)。但是，我們現(xiàn)在也要清醒地認(rèn)識到，3D 打印大多應(yīng)用于高新科技領(lǐng)域，在短期內(nèi)，增材制造、3D 打印對建筑、土木工程的影響并不顯著，建筑工程與 3D 打印充分結(jié)合，還有很長的一段路要走。