3D打印技术在建筑领域的应用研究

冯敬

摘要：随着经济的发展，人类社会各行业技术水平的发展状况日新月异，其中3D打印技术经过多年的研究和应用已经显得愈发的成熟，在许多行业的工作中都发挥着极其重要的作用。本文简单介绍了3D打印技术的概念、内容和特点，并对3D打印技术在建筑领域的设计和施工方面的应用进行了分析，最后在此基础上探讨了3D打印技术在建筑领域的发展前景，为3D打印技术在建筑领域的研究、开发和应用以有益的启迪。

关键词：3D打印技术；建筑领域；应用前景

建筑业是我国国民经济体系的重要组成部分之一，因为这个行业是关联性和带动性较强的行业，所以社会各界对建筑业的关注度都比较高，如果能够对建筑业的技术进行革新，必然能推动建筑业更好的发展，并带动与此相关的建材、机械等行业的发展。但是对建筑业进行新技术的实践运用，是一项风险比较大的投资，基于此，3D打印技术就为建筑行业的发展提供了技术保障。3D打印技术可以在虚拟状态下对建筑做出多样的模拟，推动其在实际工作中的应用，是21世纪一项具有重要意义的技术。

一、3D打印技术的基本概述

（一）3D打印的概念

3D打印技术，是一种以数字模型为基础，并运用粉末状金属、塑料、尼龙玻纤、石膏材料、铝材料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造出三维物体的技术，换种说法，3D打印技术其实就是一种快速成型技术。其类型有挤压、线、粒状、光聚合、层压等，每一种类型都有相对应的基本材料，如挤压中的熔融沉积式（FDM）的基本材料为可食用材料、共晶系统金属等。

（二）3D打印技术的内容

3D打印制作出模型有一个完整的过程。首先是利用专业的扫描设备获取三维数据，或者利用建模软件设定三维数据，根据获得的数据进行三维建模；3D打印机不能一下子就打印出完整的模型，而是通过专业软件对打印机进行相关的处理，即把三维模型进行截面，分成许多薄片，然后逐层进行打印；打印完成之后就进行喷涂，这个步骤则是根据三维模型的大小、喷涂的复杂程度等决定其耗时；最后再对完成的模型进行检查，如果出现粗糙、结合不牢固等问题，要进行加固、修正，这样最终才制作出合格的三维模型。

（三）3D打印技术的特点

3D打印技术的特点十分突出，在应用过程中，能为各行各业创造出较大的经济效益和社会效益。首先，产品制造周期短，制作个性化。3D打印技术是对创意和想法的一种模拟，它首先在计算机上对各种数据、信息等进行设定，进而选择适合的材料，最后用3D打印技术打印出模型。与传统的减材制造和等材制造相比，3D打印技术不仅提高了材料的使用效率，而且能够在短时间内打印出三维模型，降低了时间成本。根据各种需求打印出的简单模型，联系实际分析是否能够实际应用，具有很重要的现实意义。其次，打印成本较低。3D打印技术可以直接根据相关软件的图形和数据直接打印出所需模型，不需要模具等东西，降低了制作成本，提高了经济效益。最后，打印所用材料多样。比如热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末、石膏等等都可以用来打印，材料的多样使得模型制作具有多样性，能够满足不同领域的需求。

二、3D打印技术在建筑领域的应用

（一）建筑设计阶段

建筑设计是建筑工程中不可或缺的重要部分，它是建筑施工的前提。论语里面有一句话：“三思而后行”，建筑设计即是建筑施工前所必需思考的，只有建筑设计合理准确，才能为后期的建筑设计做好充分的准备。3D打印技术在建筑施工阶段得到应用后，取得了许多的成果。在将建筑设计与3D打印技术结合起来之后，人们对建筑许多的创意和想法都可以得到实践，比如利用3D打印技术将建筑设计打印出来，面对立体的模型对建筑设计的可行性进行分析。比如模型的尺寸比例、设计的细节等都可以通过模型直观地反映出来，人们根据模型的相关数据进行分析，提高了判断的准确率。除此之外，这还能预见施工阶段可能出现的问题，以提前做出相关的准备措施，降低建筑施工时的难度，保证施工的顺利进行，对人们在实际工作中进行施工建筑有很强的指导意义。

（二）建筑施工阶段

建筑施工是对建筑设计的现实实施，但是建筑设计只是对现实的一种模拟，如果考虑不全面，在施工中将会出现很多的问题，所以在建筑施工阶段，人们也要充分利用3D打印技术，在对模型进行分析处理的时候，要联系实际，考虑各种施工中可能出现的问题。比如在真正施工的时候，建筑单位会受到许多外在因素的影响，因为天气原因而缩短的建筑时间、施工人员因为身体等因素而出现的施工延后等，如果想在紧张的时间内准时并且保质保量的完成建筑任务，利用3D打印技术显得十分重要。如3D打印技术是分层打印，这种层层打印的方式十分的快捷高效，而且节约了建筑材料，提高了材料的利用率，在建筑施工的时候，施工单位可以借鉴3D打印的这种方式进行建筑，施工人员相互协作一层一层进行施工，在很大程度上可以节约施工时间；再者，建筑施工单位可以利用3D打印技术打印局部的建筑材料，在施工过程中对打印的材料进行拼接，也能够大大提高建筑施工的效率。

三、我国3D打印技术应用实例

2014年4月14日，被誉为“全球首批3D打印实用建筑”的房屋在上海青浦展示。该10栋建筑外表并无特别之处，建筑均是毛坯房，最大的两层别墅长10m、宽6m、高4m。不要一砖一瓦，只要一台3D打印机，就能在24小时内“兴建”10间房。使用长150m，宽约10m，高6m的大型3D打印机打印建筑的每一个部件，从大型的混凝土板到内部十字支撑，屋顶由于只能用一种材料打印的技术局限而非打印部分。现场3D打印完建筑墙体、结构后再在现场进行构件拼接。该技术将建筑垃圾变废为宝，减少了建筑工人现场作业量、降低建筑成本50%，还可以实现房型家具私人定制。

从原理上“打印”房屋和打印其他物品并无区别，只是改变了材料、尺度。用传统方法建造房屋需要众多步骤，使用3D打印技术就容易得多。具体打印过程如下：先在待建房屋的空地上安装大型“打印”设备，该过程大概仅需要两三名工人几个小时时间。该设备外观类似两边有滑轨的巨大行车，根据房屋三维设计图纸，稳定、均匀挤压混凝土，一层一层叠加“打印”，与此同时机械手还能进行其他建筑材料的安装，甚至可以做像铺设瓷砖这样的精细活。据估算，建一栋约232．3m2的房屋仅需20小时左右。这样的3D“打印机”不仅能“打印出”一栋房屋，还能够建造一整片房屋，并且可令房屋呈现样貌多样化。

四、3D打印技术在建筑领域的前景分析

人类历史长河中的两次工业革命使得人们的生活发生了翻天覆地的变化，人们的生活质量得到空前提高，而3D打印技术被称为第三次工业革命，可见3D打印技术的重要性以及人们对其发展前景的看好。随着人口的增长以及经济的发展，人们对各种建筑的需求越来越大。3D打印技术有一个重要的特点就是简单快速，人们利用这项技术进行建筑材料的打印，与传统建筑方法比起来可以减少很多的时间成本，房屋的供给量迅速增多，可以满足人们日益增长的需求。同时，3D打印技术的建筑成本较低，这项技术打印所需的材料种类十分广，甚至建筑垃圾都可以用来打印，它避免了传统建筑方法使用混凝土而带来的高耗能高污染的状况，为我国的环保事业贡献了一份力量。我国地理环境十分复杂，所以地质灾害频发，3D打印技术在应对地震、泥石流等突发情况的时候可以迅速打印出许多供受灾人员居住的简易房屋。改革开放之后，我国的贫困问题很大程度上得到了解决，但并不是得到全面解决，3D打印技术低成本的特点在未来一段时间内可以有效解决我国贫困人口的住房问题。此外，传统的建筑都是比较正规的矩形，大多数建筑千篇一律，缺乏特色，但是目前3D打印技术已经可以打印出有弧度的曲面，可以满足人们对建筑个性化的追求，提高人们的精神享受。这种个性化的建筑为建筑领域注入了生命力，在未来，这种生命力必然影响到与3D打印技术有关的其他领域。

结束语

目前，3D打印技术在航天科技、医学领域、工业设计、汽车、建筑等方面都得到了应用，但是这种技术还处于不成熟的阶段，还有诸多的问题需要研究解决。3D打印技术作为作为一项应用极广的技术，可以遇见其在未来的发展态势依然良好。3D打印技术对建筑的全方位的模拟，以它制作快速、材料环保、成本低廉等优点显示了在建筑领域的独特优势。从目前3D打印技术在建筑领域取得的成果来看，该技术在社会上有很高的认可度，在很大程度上促进了建筑领域的发展。今后，随着对3D打印技术研究的日趋深入，它对人们的生活必将产生越来越重要的影响。

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