3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用分析

齊玉清

（內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 呼和浩特市 010070）

1 引言

建筑業(yè)采用3D打印技術(shù)近期經(jīng)常成為頭條新聞?！癟he Economist”2017年6月低調(diào)宣布：“3D打印和智能計算機可能會徹底改變建筑業(yè)”，CNN網(wǎng)站早些時候提出了這樣的問題：“世界的下一個特大城市會從3D打印機中滴出來嗎？”這些新聞表明，媒體對于某項技術(shù)，相對它的潛力，更多地關(guān)注它當(dāng)前的成就。3D打印將成為制造過程中常見甚至標(biāo)準(zhǔn)的方法，然而這項技術(shù)廣泛應(yīng)用的時間仍然不確定。研究人員近十年來一直在3D打印或增材制造技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行努力，一些大型公司已經(jīng)開始認(rèn)真投資，不僅是建筑公司，還有建筑材料制造商。市場對這項技術(shù)也是非常期待的。

2 3D打印在建筑行業(yè)中的應(yīng)用

3D打印是指由計算機控制機器來自動逐層生產(chǎn)物理對象。該機器通常由數(shù)字3D模型引導(dǎo)工作，并熔化金屬或粉狀固體或噴射液體或半液體材料來制造構(gòu)件。這項技術(shù)有十分廣泛的應(yīng)用——從外科手術(shù)植入物到汽車零配件，再到航空航天項目的輕型結(jié)構(gòu)等等。這種多功能性歸因于三個主要因素：可以使用各種合適的材料（特別是聚合物，金屬，陶瓷，砂漿或混凝土）；幾乎無限的自由設(shè)計；以及在現(xiàn)場或場外靈活、經(jīng)濟(jì)地創(chuàng)建復(fù)雜形狀的能力。3D打印自動化生產(chǎn)的這些特征，與建筑行業(yè)有著近乎完美的匹配。

考慮一些3D打印與建筑行業(yè)的符合之處：建設(shè)項目通常需要定制設(shè)計；它們涉及液體或易彎曲的材料（通常是復(fù)合材料），需要現(xiàn)場硬化；建筑行業(yè)越來越依賴于自動化（至少在發(fā)達(dá)國家），以避免延誤，超支和技術(shù)勞工短缺。對于建筑公司來說，在客戶，納稅人和政府都面臨越來越大的壓力下，一天24小時都能自動打印建筑物或零部件的技術(shù)將會有一個非常受歡迎的前景。在此背景下，建筑行業(yè)采用3D打印技術(shù)的速度肯定會加快。主要原因如下：

2.1 技術(shù)進(jìn)步

建筑3D打印設(shè)備和材料不斷完善，成本不斷下降。新型打印機正在實用化-例如那些更巧妙地利用機器人技術(shù)并且更好地適應(yīng)復(fù)合材料的技術(shù)，而且正在實現(xiàn)新的應(yīng)用。

2.2 新進(jìn)入者

最近將3D打印技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)的公司數(shù)量激增。2013年初，該領(lǐng)域僅有20家初創(chuàng)企業(yè)。今天，大約有65種提供服務(wù)，如建筑師和工程師原型解決方案，軟件和設(shè)計工具，大型結(jié)構(gòu)組件甚至整個建筑。

2.3 施工企業(yè)的戰(zhàn)略措施

那些大型建筑公司將不得不適應(yīng)新的現(xiàn)實，無論他們喜不喜歡。其中一些已經(jīng)做出了戰(zhàn)略決策，成為這項新技術(shù)的早期采用者。2017年2月，法國領(lǐng)先的建筑公司Vinci購買了法國創(chuàng)業(yè)公司XtreeE的股份，該公司專門從事混凝土結(jié)構(gòu)元件的印刷。另一位法國建筑巨頭布依格與南特大學(xué)團(tuán)隊合作，幫助開發(fā)Batiprint3D工藝，并開始在南特印刷社會住房?？鐕邪藺ECOM與Winsun簽署了一項為期三年的協(xié)議，共同加強3D打印在建筑行業(yè)的應(yīng)用。

還有幾家建筑材料供應(yīng)商也開始接受這項技術(shù)。與Vinci一樣，水泥制造商LafargeHolcim與XtreeE合作開發(fā)了一系列特別適用于3D打印的實驗混凝土混合材料。奧地利模板專家Doka Ventures已獲得美國創(chuàng)業(yè)公司Contour Crafting公司30%的股份，該公司是建筑行業(yè)3D打印機生產(chǎn)商中的翹楚。

2.4 技術(shù)推動

由于設(shè)備，材料和工藝的進(jìn)一步突破，技術(shù)限制肯定會有所緩解。在適當(dāng)?shù)臅r候，3D打印將可以與傳統(tǒng)的現(xiàn)場施工和預(yù)制方法相媲美，并且可能會被用來生產(chǎn)數(shù)量更多，規(guī)模更大的結(jié)構(gòu)，以及用來制作更專業(yè)和更復(fù)雜的構(gòu)件和建筑。

3 3D打印技術(shù)對建筑行業(yè)的有利方面

3.1 設(shè)計自由

通過降低生產(chǎn)非標(biāo)準(zhǔn)形狀構(gòu)件的成本，3D打印可讓建筑師和設(shè)計師自由發(fā)揮。該技術(shù)可以將復(fù)雜的設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)槌鰝鹘y(tǒng)建筑施工單位能力的實際結(jié)構(gòu)。正如新的口號所言，“如果你不能建造它，就把它打印出來?！?/p>

3.2 自主建設(shè)

影響許多高收入國家建筑行業(yè)的技工短缺問題很快就會變得無關(guān)緊要了-自主或半自主3D打印機只需要很少的人工操作。此外，由于其中一些打印機比傳統(tǒng)工程機械（如起重機）更輕，更具可移動性，所以可用于那些預(yù)制構(gòu)件無法運抵的危險區(qū)域或偏遠(yuǎn)地區(qū)。盡管價格昂貴，但可以降低整體設(shè)備成本，而這通常占傳統(tǒng)建筑項目成本的20～25%。

3.3 交貨的可預(yù)測性和速度

通過全天候運行，減少現(xiàn)場施工問題，3D打印機可大幅縮短施工時間。并且，建筑材料的交付問題將減少，各行業(yè)之間的復(fù)雜交互也將減少。

3.4 可持續(xù)發(fā)展

3D打印將減少建筑行業(yè)對環(huán)境的有害影響。首先，據(jù)一些專家稱，3D打印的大部分原料都可以是回收材料。此外，3D打印可以消耗更少的材料：通過創(chuàng)建復(fù)雜的形狀（例如懸垂物和折疊）以實現(xiàn)絕緣和遮陽等功能，無需額外的材料或單獨的結(jié)構(gòu)單元。

3.5 特殊屬性

例如，通過使用錐形，中空或蜂窩結(jié)構(gòu)，以及對“拓?fù)鋬?yōu)化”的掌握，3D打印可以賦予其產(chǎn)品特殊性能，例如提高抗張強度或增強絕熱性，而不會增加其重量。

只有在大規(guī)模應(yīng)用3D打印時，才能實現(xiàn)全部優(yōu)勢。這個時間取決于克服各種障礙的速度有多遠(yuǎn)。

4 3D打印技術(shù)未來的發(fā)展前景

從長遠(yuǎn)來看，隨著技術(shù)和市場的成熟，3D打印可能會變成現(xiàn)在建筑技術(shù)的狀態(tài)，如預(yù)制-承包商可根據(jù)需要從專業(yè)分包商那里獲得?；蛘咧攸c可能落在專門的設(shè)備上，承包商可以從設(shè)備供應(yīng)商租用或租賃。這種情況下，3D打印即的服務(wù)模式將得到發(fā)展：技術(shù)公司將專注于生產(chǎn)復(fù)雜的3D打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行出售，或者他們會將設(shè)備和熟練的工作團(tuán)隊租給承包商；工作室將專注于生成設(shè)計或3D建模；而軟件公司則會出現(xiàn)專攻設(shè)計自動化的軟件公司。對于這樣的公司來說，這種更加分散，更專業(yè)化的方案比一條龍方案更具吸引力：它看起來更具可擴(kuò)展性，需要較少的資本和知識以及較少的勞動力；而且可以規(guī)避大部分風(fēng)險。

也許有一天，大型建筑物將全部由一臺打印機打印出來，除了按下開關(guān)和補充原料之外，不需要任何現(xiàn)場工作人員，這是一個非常遙遠(yuǎn)的愿景。一個更現(xiàn)實的前景是保留幾個獨立的程序以及自治或半自治系統(tǒng)，包括加固，混凝土擠壓，表面銑削和絕緣，但將它們與人類工作者緊密結(jié)合。在不久的將來，建筑3D打印將進(jìn)一步擴(kuò)大其作用，推廣和改進(jìn)其特殊應(yīng)用，如印刷模具或復(fù)雜組件，并與日益復(fù)雜和雄心勃勃的設(shè)計保持同步。如果資本被繼續(xù)投入到該領(lǐng)域中，這一發(fā)展勢頭必定會繼續(xù)下去。