3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用和影響

伍昱熹 王承旭 吳靜

摘 要：隨著《中國(guó)制造2025》計(jì)劃的持續(xù)推進(jìn)，建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的任務(wù)越發(fā)的艱巨，不少項(xiàng)目建設(shè)都存在一些實(shí)質(zhì)性的問(wèn)題，如：勞動(dòng)力緊缺和從業(yè)人員素質(zhì)低下、項(xiàng)目實(shí)施情況與預(yù)期不符等。但3D打印技術(shù)的出現(xiàn)就能解決項(xiàng)目建設(shè)決策期、實(shí)施期和管理期的不少問(wèn)題。3D打印技術(shù)的特點(diǎn)為：高效率，定制化。本文將依托3D打印的特性，具體闡述3D打印技術(shù)在項(xiàng)目可行性探討、項(xiàng)目管理以及項(xiàng)目建設(shè)期間有何促進(jìn)作用及其相應(yīng)的缺陷。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；應(yīng)用；缺陷

1.3D打印技術(shù)概況

3D打?。?D printing）是一種快速成型的增材制造技術(shù)，其前身是“快速成型技術(shù)”。3D打印技術(shù)大致思路是：逐層堆積材料。但3D打印的核心不在于精度，精度可以通過(guò)一定的表面處理（如機(jī)器進(jìn)行拋光）達(dá)到，其關(guān)鍵在于材質(zhì)。按照材料的物理特性分類，可以分為：液體材料、粉末材料、絲狀材料、塊狀材料等；按照材料的化學(xué)性能分類，可以分為：高分子材料（如樹脂、石蠟等）、金屬材料（如鋁、鈦合金等）、無(wú)機(jī)非金屬材料（如石膏、陶瓷等）及其復(fù)合材料。在建筑項(xiàng)目的進(jìn)程中，應(yīng)按照材料特性適當(dāng)選取，從而合理推動(dòng)項(xiàng)目穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展。如：Enrico Dini利用3D打印機(jī)直接打印一棟完整的建筑，該建筑使用的打印原料為沙子。其打印過(guò)程中，利用鎂基膠和沙子合適的配比，打印出強(qiáng)度如巖石的固體，滿足建筑強(qiáng)度要求。

2.3D打印技術(shù)與BIM技術(shù)在建筑的結(jié)合應(yīng)用

3D打印通過(guò)其技術(shù)特性的實(shí)現(xiàn)可以將建筑物模型立體地展現(xiàn)出來(lái)，打印出各個(gè)細(xì)部構(gòu)件，并且不被模型的尺寸限制。但在實(shí)現(xiàn)這些功能前，需要保證已經(jīng)有精確的模型設(shè)計(jì)參數(shù)和工程量。而目前已經(jīng)成熟的BIM技術(shù)就可以達(dá)到它所需的要求，BIM技術(shù)在建筑行業(yè)已經(jīng)有了很大的發(fā)展并且還在不斷進(jìn)步。在工程管理中將兩種技術(shù)有效地融合，可以解決現(xiàn)階段建筑行業(yè)發(fā)展的局限，使項(xiàng)目更加經(jīng)濟(jì)化和環(huán)境友好化，推動(dòng)制造強(qiáng)國(guó)的實(shí)現(xiàn)。

2.1項(xiàng)目決策期的應(yīng)用

BIM技術(shù)可以確保模型設(shè)計(jì)參數(shù)的直觀展現(xiàn)，而3D打印技術(shù)可以對(duì)建筑整體更加真實(shí)而立體化地加以展現(xiàn)，有利于建筑設(shè)計(jì)的總體展示。但模型不僅僅局限于總體展示，由于BIM建模項(xiàng)目中含有項(xiàng)目的所有參數(shù)，所以3D打印技術(shù)也可以勝任局部部件的分別呈現(xiàn)，從而更加清晰地呈現(xiàn)建筑材質(zhì)與結(jié)構(gòu)特性，有利于提高在項(xiàng)目決策階段的評(píng)審效率和質(zhì)量。如：SLA技術(shù)中，僅能采用液態(tài)樹脂作為打印材料，從實(shí)用性考慮，并不適合作為建筑材料直接使用，但是考慮到它的特性：SLA可成型任意復(fù)雜零件；精度高，表面光潔度好；并做到100%原料重復(fù)利用率，這樣的特性使其成為項(xiàng)目決策期的項(xiàng)目模型展示技術(shù)；管線設(shè)計(jì)中，BIM和3D打印技術(shù)相結(jié)合，能為水管、電線、燃?xì)狻⒌嘏仍O(shè)施預(yù)留設(shè)計(jì)空間，避免后期返工造成不必要的損失。

2.2施工管理期的應(yīng)用

在建筑模型的設(shè)計(jì)過(guò)程中，傳統(tǒng)的軟件CAD設(shè)計(jì)的圖紙和使用的技術(shù)通常局限于X-Y軸的二維平面的展開，難以表達(dá)。相比之下BIM技術(shù)就能有效規(guī)避這樣的問(wèn)題，可以對(duì)建筑設(shè)計(jì)加以更加直觀的展現(xiàn)。在這樣的基礎(chǔ)上，我們就能夠在項(xiàng)目建設(shè)期有效地控制工程量和工程進(jìn)程。除此之外，BIM技術(shù)可以規(guī)避實(shí)際施工中產(chǎn)生的各種沖突或碰撞。這樣的大前提之下，運(yùn)用3D打印技術(shù)將細(xì)部部件加以組裝展示，從而高效地管理并確保項(xiàng)目在施工期的順利進(jìn)行。

2.3施工建材的應(yīng)用

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，打印材料越發(fā)的多樣化和復(fù)合化，部分技術(shù)手段已經(jīng)能打印出具有一定強(qiáng)度的建筑材料構(gòu)建。在這樣的前提下，我們有理由相信產(chǎn)品能在一定程度上取代傳統(tǒng)建筑材料。2014年，荷蘭Dus Architects公司開工打印一座別墅，這是整個(gè)歐洲第一座完全利用3D打印技術(shù)修筑的建筑，該項(xiàng)目的建成從一定程度上驗(yàn)證了3D打印材料取代傳統(tǒng)建筑材料的可行性。同時(shí)，基于此項(xiàng)目，建筑學(xué)家致力于證明直接打印建筑的各個(gè)部件，可以減少甚至消除浪費(fèi)和運(yùn)輸成本。

3.3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的影響

3D打印在社會(huì)很多方面都得到了一定的運(yùn)用，在建筑行業(yè)中主要體現(xiàn)為對(duì)傳統(tǒng)制造的沖擊，傳統(tǒng)方式制造建筑部件往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間，這會(huì)影響到建筑物的建造周期。而3D打印成型方式不需要任何模具就可以直接生產(chǎn)制造出原型部件，同時(shí)可以快速制造原型產(chǎn)品。這便可以縮短項(xiàng)目建設(shè)周期，降低建設(shè)成本，引導(dǎo)建筑結(jié)構(gòu)朝著裝配式發(fā)展。

由于生活質(zhì)量不斷提高，人們對(duì)于建筑物的要求不再停留在居住層面，建筑物需要美觀的外形和奇妙的創(chuàng)意。3D打印可以帶我們進(jìn)入不一樣的建筑世界，建造出越來(lái)越多大眾從未見過(guò)和甚至超出認(rèn)知的建筑模型，而且建筑設(shè)計(jì)師們對(duì)建筑結(jié)構(gòu)和外形的創(chuàng)新將會(huì)不斷地被引出來(lái)，突破傳統(tǒng)的思維。

基于3D打印的特性，我們可以體會(huì)到3D技術(shù)相較于傳統(tǒng)建筑行業(yè)的幾大優(yōu)點(diǎn)：1）減低生產(chǎn)成本；2）縮短工期；3）提高質(zhì)量；4）環(huán)境友好型；5）高度定制化；6）可復(fù)制利用。最關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需人為干預(yù)，可以精簡(jiǎn)工作人員，從而減少生產(chǎn)成本和削減錯(cuò)誤。

4.3D打印技術(shù)的缺陷

4.1成本優(yōu)勢(shì)不明顯

現(xiàn)階段我國(guó)的3D打印設(shè)備的關(guān)鍵核心部件仍然需要進(jìn)口，這使得3D打印設(shè)備的價(jià)格居高不下。當(dāng)我們生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高度定制化和小批量產(chǎn)品時(shí)，3D打印可以規(guī)避傳統(tǒng)制造業(yè)的一些問(wèn)題，但是當(dāng)需要大批量生產(chǎn)時(shí)，3D打印技術(shù)并不占優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)成型工藝是基于材料的等材或減材制造，而 3D打印還需要較高的時(shí)間成本。

4.2產(chǎn)品質(zhì)量不佳

局限于技術(shù)的發(fā)展，3D打印還不能充分地控制打印過(guò)程材料的空隙率、密度、恒一性等。這會(huì)影響物品的設(shè)計(jì)外形和嚴(yán)重?fù)p害產(chǎn)品性能。還有一點(diǎn)值得注意：若在打印期間，中上層發(fā)生材料堆積，將會(huì)對(duì)下層材料造成一定壓力，若短期內(nèi)，下層材料并未達(dá)到一定強(qiáng)度，下層材料將會(huì)因?yàn)槭艿綁毫τ绊?，發(fā)生變形，進(jìn)而將會(huì)對(duì)整個(gè)建筑的質(zhì)量造成不良影響。

4.3相關(guān)規(guī)定不完善

由于3D打印在建筑行業(yè)的應(yīng)用尚屬于起步階段，針對(duì)3D打印建筑的研究較少，其性能和使用年限與普通建筑標(biāo)準(zhǔn)是否相同，還值得考究。因而，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)3D打印技術(shù)應(yīng)用的規(guī)范，要不斷完善相關(guān)規(guī)定，避免3D打印技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題。其次，3D打印技術(shù)使得建筑物變得容易復(fù)制，盜版行為就會(huì)更加猖獗，導(dǎo)致建筑物的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的斗爭(zhēng)愈發(fā)激烈。

5 結(jié)語(yǔ)

雖然我國(guó)的3D打印技術(shù)還是處于初級(jí)階段，在打印速度，打印精度和成型尺寸上有較多的局限。但是在國(guó)家積極推動(dòng)“中國(guó)制造2025”的大背景下，3D打印技術(shù)會(huì)有較好的發(fā)展前景，一旦目前的技術(shù)難題得到突破，舊有的產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)關(guān)系將會(huì)支離破碎。并且在建筑行業(yè)能夠得到更多的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)低成本、短工期、高質(zhì)量、環(huán)境友好型的建設(shè)目標(biāo)。

總的來(lái)說(shuō)，3D打印還有很多技術(shù)細(xì)節(jié)和法律規(guī)范需要完善。3D打印技術(shù)僅僅是一項(xiàng)技術(shù)，而能創(chuàng)造獨(dú)一無(wú)二產(chǎn)品的依舊是人的思想，就像是山頂洞人使用火進(jìn)入新紀(jì)元一樣，如何在建筑領(lǐng)域善用這項(xiàng)技術(shù)，仍然值得我們思考。

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（作者單位：四川省綿陽(yáng)市西南科技大學(xué)土建學(xué)院）