3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用

吳鴻森

（黑龍江科技大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150022）

當(dāng)前我國整體經(jīng)濟發(fā)展處于持續(xù)提升的過程中，隨著物質(zhì)生活水平的不斷提升，人們對建筑的要求也表現(xiàn)出越來越高、越來越具體化的特質(zhì)。就當(dāng)前建筑行業(yè)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)而言，如果能夠有效應(yīng)用一種全新、可以嚴(yán)格控制材料用量的生產(chǎn)技術(shù)，無疑會大幅節(jié)約建筑工程建設(shè)所需要的資源，幫助建筑行業(yè)實現(xiàn)更加高精尖的發(fā)展。在當(dāng)前為數(shù)眾多的各類型技術(shù)中，3D打印技術(shù)由于表現(xiàn)出強大的成本控制能力與可操控性，引發(fā)大批科研人員嘗試將其應(yīng)用在建筑領(lǐng)域中，并取得一些發(fā)展成果。

1 關(guān)于3D打印技術(shù)

1.1 技術(shù)內(nèi)容概述

3D打印技術(shù)的實際操作運行基于數(shù)據(jù)模型之上，所應(yīng)用的材料無論是否金屬質(zhì)地都以粉末為主要形狀特點。在逐層打印技術(shù)的支持下，3D打印技術(shù)實現(xiàn)物體空間形態(tài)的快速構(gòu)造、成型處理，且打印過程具有非常直觀的視覺體驗。當(dāng)前3D打印技術(shù)的實際應(yīng)用需要依靠多種類型的模型成型技術(shù)，包括SLA技術(shù)與FDM技術(shù)。

SLA技術(shù)指的是立體固化成型技術(shù)，是一種早期的3D打印技術(shù)，主要依靠液態(tài)的光敏樹脂以及相對應(yīng)的模具實現(xiàn)3D實物打印，當(dāng)前SLA技術(shù)在3D打印技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域中尚具有一定的普遍性。FDM技術(shù)又被稱為溶積成型技術(shù)，主要生產(chǎn)一些中小型工件，在成本控制及污染程度上表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，且應(yīng)用的材料大多支持回收處理與循環(huán)利用[1]。當(dāng)前FDM技術(shù)在應(yīng)用過程中也表現(xiàn)出一些缺陷，如達不到超高精度要求、制造速度相對較慢等。

1.2 3D打印技術(shù)的主要特征

3D打印技術(shù)本身具備很多優(yōu)點，能最大限度滿足小體積模型的打印處理，因此具有推動社會經(jīng)濟發(fā)展、創(chuàng)造更多經(jīng)濟效益的能力。此外，3D打印技術(shù)本身的強可塑性使它可以滿足很多不同種類的要求，因而也能運用于驗證某種創(chuàng)意或概念的可行性與實用性。在深入分析打印對象相關(guān)各項參數(shù)、調(diào)整設(shè)定并將其輸入到控制軟件之后，即可通過添加相關(guān)材料來制作3D模型，在實際制作過程中還能結(jié)合模型表現(xiàn)出的各項特質(zhì)進行更深層次的優(yōu)化處理，方便后續(xù)批量生產(chǎn)工作的進行。

3D打印設(shè)備同樣可以與各類型電腦軟件相互配合來實現(xiàn)不同的打印功能。當(dāng)前我國在網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)上已經(jīng)獲得重大突破，這也在一定程度上提升了3D打印技術(shù)的安全性與穩(wěn)定性，使該技術(shù)幾乎滿足不同工作人員的工作需求，進一步擴大3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍。

2 3D打印技術(shù)的優(yōu)勢

3D打印技術(shù)之所以得到大力研發(fā)與推廣，主要是因為該技術(shù)本身表現(xiàn)出的各類型優(yōu)勢，在建筑領(lǐng)域，這種優(yōu)勢主要體現(xiàn)在縮短工期保障安全、控制建材消耗、成本低廉三方面。

（1）縮短工期保障安全：建設(shè)工程的安全性問題往往是一個需要直面面對、難度系數(shù)極大的問題。傳統(tǒng)建筑工程多以人力為主要執(zhí)行單位，在3D打印技術(shù)被應(yīng)用到建筑領(lǐng)域之后，僅需通過少量人員操作設(shè)備、及時給料即可完成工程作業(yè)，人員直接參與到工程建設(shè)中的情況與需求大幅縮減，因而在很大程度上實現(xiàn)了安全性的提升。在3D打印技術(shù)與BIM技術(shù)相互配合的前提下，前者負(fù)責(zé)可視化信息模型的建立，后者則負(fù)責(zé)事物的創(chuàng)造工作，省略了傳統(tǒng)建筑工程中的大量流程[2]。

（2）控制建材消耗：傳統(tǒng)建筑工程需要應(yīng)用大量的建材，且由于人力操作存在的誤差及局限性，不可避免會產(chǎn)生一些建材廢料及多余建材消耗，工程完成后的建筑垃圾往往得不到有效處理。對于3D打印技術(shù)而言，由計算機與信息技術(shù)實現(xiàn)的高精度生產(chǎn)控制使所有建筑材料物盡其用，極少出現(xiàn)多余材料的情況。而且本身3D打印技術(shù)應(yīng)用的材料多以回收利用的材料為主，不僅實現(xiàn)了重復(fù)利用、就地取材，而且解決了建筑垃圾問題，進而實現(xiàn)保護環(huán)境的目的。

（3）成本低廉：3D打印技術(shù)中應(yīng)用的材料多以回收利用的材料為主，且省略了傳統(tǒng)建筑工程需要制作材料及構(gòu)件的過程，最大限度實現(xiàn)了成本的控制。另一方面，3D打印技術(shù)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的噪聲十分微小，且不會產(chǎn)生揚塵問題，體現(xiàn)了對生態(tài)環(huán)境的保護作用。

3 3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 在設(shè)計階段的應(yīng)用

設(shè)計工作是整個建筑工程執(zhí)行的靈魂與重要前提，對工程整體的開展、進行、驗收及后續(xù)使用都會造成深遠影響，因此3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的實際應(yīng)用首先體現(xiàn)在工程設(shè)計階段，確保工程設(shè)計工作不斷邁向更高端的水準(zhǔn)與方向，在確保其滿足廣大人民群眾各類型實際需求的同時充分展現(xiàn)出建筑工程的價值。在設(shè)計階段得出相應(yīng)的設(shè)計圖紙后可縮小其規(guī)模，再應(yīng)用3D打印技術(shù)檢查工程中不合理的內(nèi)容，并將靈光乍現(xiàn)的創(chuàng)意與想法加入其中，直觀查看這些想法與靈感的可行性，同時在實際施工過程中給予施工人員指導(dǎo)。除此之外，3D打印技術(shù)在建筑設(shè)計工作中的應(yīng)用還體現(xiàn)在一些特殊設(shè)計內(nèi)容的實現(xiàn)上，例如提前預(yù)估工程設(shè)計內(nèi)容，借助直觀視覺感受和查找其中存在的不足，并采取對應(yīng)的措施彌補缺陷，進一步保障整個建筑工程的質(zhì)量與安全性。

3.2 在實際施工階段的應(yīng)用

施工階段是將建筑從概念落實到實物的關(guān)鍵階段，是建筑工程具體的執(zhí)行期。3D打印技術(shù)在工程施工階段的應(yīng)用要充分重視客觀影響的處理與主觀訴求的滿足。傳統(tǒng)建筑工程單位往往需要面臨財力、材料、監(jiān)理、業(yè)主、工期、設(shè)備、執(zhí)行能力、安全管理等多方面的工作內(nèi)容，因此通常會面臨嚴(yán)峻的工作壓力，要在有限的工期之內(nèi)保質(zhì)保量完成施工任務(wù)。在建筑工程施工階段運用3D打印技術(shù)，可以根據(jù)材料的供應(yīng)狀態(tài)及打印設(shè)備的工作效率準(zhǔn)確得出工期的確切時長，工作人員只需要保證充足且持續(xù)的供應(yīng)打印設(shè)備的材料及能源，就能在計劃工期內(nèi)完成工程建設(shè)工作。

除此之外，3D打印技術(shù)在施工階段的應(yīng)用還體現(xiàn)在材料與輪廓兩方面。此處涉及的材料是指3D打印技術(shù)應(yīng)用的打印材料，在將3D打印技術(shù)應(yīng)用到建筑領(lǐng)域中之后，“打印材料”也轉(zhuǎn)換為以各種建筑材料支撐的顆粒物。就當(dāng)前建筑材料中被廣泛運用的混凝土而言，這種材料本身具有很強的抗壓性能，但抗拉性能的表現(xiàn)不盡如人意?；炷敛牧系拇笠?guī)模應(yīng)用是在鋼筋出現(xiàn)之后才實現(xiàn)的，其中鋼筋主要負(fù)責(zé)承受拉力，壓力則由混凝土材料承擔(dān)，兩者之間實現(xiàn)了相輔相成的作用。這就將3D打印技術(shù)應(yīng)用在建筑工程中之后，如果僅采用混凝土作為打印材料，雖然能夠滿足墻柱構(gòu)件的受壓要求，但以梁板為主的受拉構(gòu)件則難以滿足建筑標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前采用的建筑3D打印材料多以抗壓性能為主要性能，大多數(shù)沒有表現(xiàn)出應(yīng)有的抗拉能力，這意味著建筑承受的拉應(yīng)力如果超出材料的抗拉強度會在材料構(gòu)成的構(gòu)件上產(chǎn)生裂縫，因此當(dāng)前建筑中以3D打印技術(shù)形成的樓板還需要現(xiàn)場澆筑鋼筋混凝土或采用預(yù)制樓板的方式加以解決。

混凝土材料如果沒有鋼筋支持其抗拉性能，一旦拉應(yīng)力超過其抗拉極限就會導(dǎo)致混凝土構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，并造成構(gòu)件連續(xù)性破壞的情況。由此可見，用于3D打印技術(shù)中的打印材料本身除了抗壓能力之外，還需要具有相應(yīng)的抗拉能力，從而抑制材料本體干縮產(chǎn)生的裂縫。從結(jié)構(gòu)安全性的角度考慮，為了防止構(gòu)件本身出現(xiàn)脆性破壞，構(gòu)件本身應(yīng)當(dāng)具有一定的變形量及支撐時間，以確保構(gòu)件從出現(xiàn)裂縫、產(chǎn)生損壞、結(jié)構(gòu)崩解的過程中留出充足的警示時間。

3D打印技術(shù)下建筑工程的輪廓工藝指的是一種借助計算機按層控制噴嘴，逐步擠出建筑材料的建造技術(shù)。在打印方式上需要首先打印出建筑的整體輪廓，隨后在輪廓內(nèi)部填充來完成建筑的建造工作。這就意味著打印設(shè)備需安裝在相應(yīng)龍門架的橫梁上，龍門架則鋪設(shè)在對應(yīng)的導(dǎo)軌上，以龍門架的前后移動代替打印設(shè)備的前后移動，打印設(shè)備的左右移動則通過龍門架的橫梁實現(xiàn)。在這種情況下，打印設(shè)備通過一個可上下移動的噴嘴擠出半流體狀態(tài)的混凝土，將程序中設(shè)計好的3D立體模型載入打印系統(tǒng)，之后打印設(shè)備根據(jù)模型的參數(shù)勾勒出建筑整體輪廓，并借助設(shè)備配置的泥刀調(diào)整混凝土形狀，隨后逐步逐層增加建筑墻體，門窗的位置則會根據(jù)模型參數(shù)內(nèi)容自動預(yù)留，其效果圖如圖1所示。這樣一來施工所需時間被大幅縮短，如果以打印速率為3min/m2墻體來計算，完成一棟兩層小型建筑的時間大概只需要20h左右。

圖1 3D打印技術(shù)應(yīng)用的概念

4 結(jié)語

綜上所述，本文詳細介紹與分析了3D打印技術(shù)以及該技術(shù)在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用，可以看出3D打印技術(shù)為建筑行業(yè)的發(fā)展描繪了美好的前景，同時也為建筑工程科技化水平的提升帶來了全新的機遇與挑戰(zhàn)。因此應(yīng)當(dāng)強化3D打印技術(shù)在建筑工程中的研發(fā)力度，推動其在建筑行業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，進而作用于我國建筑領(lǐng)域的新發(fā)展。