3D打印建筑技术及应用

俞恩伟

浙江华杨建设有限公司浙江省杭州市310000

摘要：3D打印建筑技术作为一种新兴的建筑建造技术，自诞生起就备受社会各界的广泛关注，给建筑行业的发展注入了新的生机，为了最大程度的挖掘出3D打印建筑技术的内在潜力，相关专家和学者一直致力于3D打印建筑技术的研究，现已取得了突破性的进展。本文将对3D打印建筑技术的内涵和特征加以探讨和分析，并重点论述该技术应用中存在的一些问题以及对材料方面的具体要求，以期充分发挥3D打印建筑技术的优势，促进其在建筑行业中得到大范围的推广应用。

关键词：3D打印；建筑技术；应用

众所周知，建筑与人们的生产和活动有着十分密切的联系，在人们的心中具有不可替代的重要地位，在可持续发展理念的倡导下，绿色建筑已经成为了现代主流建筑形式，不仅减少了建筑能耗，而且节约了施工成本，深受建筑企业的好评和青睐。绿色建筑的兴起给建筑行业的发展指明了新的方向，必须要注重建造方式的转变，而3D打印建筑技术的应用恰好符合这一理念，因此加强对该项技术的研究，明确其优势和缺陷，以便扬长避短，指导建筑工程的顺利高效开展，之于建筑工程综合效益的提升大有助益。

一、3D打印建筑技术

3D打印建筑技术是运用三维数字模型将材料逐层堆砌起来，使之成为建筑的新型施工技术，颠覆了传统建筑建造的去除理念，常用的材料用水泥、纤维和砂浆，主要采用的技术有计算机技术、材料成型技术和数控技术等，其操作流程如下所示：首先，在计算机上构建三维模型，设置好建筑的完整信息；其次，将模型拆分成为层片文件，拆分时要遵循特定顺序，层片文件的厚度也有着明确的要求；再次，对层片文件进行多次的检测和修正，确保其正确性，然后将其转变成为数控程序；最后，在数控系统的控制下机械装置即可自动组装建筑，通常来说，一个程序可以组装成多个不同形态的建筑，这是其他建筑施工技术所远远无法比拟的。

二、3D打印建筑技术的应用优势及存在的问题

1、应用优势

3D打印建筑技术的发展和推进，对于有效解决传统建筑业存在的问题具有重要意义和价值。它具有以下优势：

（1）有利于建筑垃圾的处理和再生利用。如果通过加工分离等处理技术使建筑垃圾成为建筑3D打印“油墨”的一部分原材料，即可实现建筑垃圾的资源化，让建筑垃圾回到建筑中。

（２）有利于缩短工期、提高生产效率、缩短投资回收期、改善环境、降低劳动强度与施工作业的危险。3D打印建筑以信息化和机械化为技术手段，很大程度上降低了对劳动力的依赖，也在很大程度上降低建筑工人的劳动强度，改善了工作环境，提高了工作效率。具有低碳、绿色、环保的特点。

（３）有利于减少资源和能源消耗。3D打印建筑可以充分利用打印智能控制，使建筑一次成型，同时可减少建造过程中的工艺损耗和能源消耗。

（４）3D打印建筑能打印出各种房型及装饰构件，让建筑的艺术性通过3D打印技术一次实现；对各种特殊设计结构、空间结构、研发性产品、单一样品具有比常规施工技术更明显的优势。

2、存在问题

由于3D打印建筑技术的研发时间尚短，技术上还存在很多不成熟的地方亟待得到改进，主要体现在如下几个方面：

（１）三维模型设计软件问题

三维模型设计软件是3D打印建筑技术准备阶段的重点部分，打印之前先对建筑物进行三维模型的建立，再通过自动化程序使用3D打印机打印出建筑实物。开发出与打印硬件相兼容的设计软件是3D打印建筑技术的重点问题之一。

（2）打印设备问题

3D打印机是3D打印建筑技术中的关键之一。3D打印建筑的尺寸很大程度上受3D打印机的限制。如何设计以及改良3D打印机，使其不限制所打印建筑物的尺寸。尤其是解决打印高层建筑物过程中的打印机爬升问题，是解决打印大型、高层建筑的关键。此外，如何根据不同的打印材料，设置材料输送系统、打印喷头的形式和数量，保证打印的精度、效率，也是3D打印建筑技术的问题之一。

（３）材料问题

相比传统建造中使用广泛的普通预拌混凝土，3D打印建筑对材料的要求更加严格，需要打印材料具有良好的强度刚度、保温隔热性能、粘接性、不间断性、合理的凝结硬化时间，较好的抗裂性和塑性，以及与打印输送系统相适应的工作性能等。

（４）房屋结构配筋问题

使用3D打印建筑技术打印低层建筑时，可通过提高打印材料的自身强度以及合理的结构设计方式，确保结构无配筋条件下的结构安全。但随着打印建筑物的层数增加，结构中无配筋的情况下很难保证建筑物的安全性和稳定性等。

（５）标准规范缺乏问题

虽然建筑行业中有着许许多多的技术规范，但是无一适用于3D打印建筑技术，这对于3D打印建筑技术的应用和发展是极为不利的，对此，在未来一段时间内应着重加强法律法规和标准规范的制定，以便为3D打印建筑技术的推广创造条件。

三、3D打印建筑技术的应用对材料的性能要求

在3D打印建筑技术的应用过程中，材料是一项关键性的因素，只有确保材料的质量达标，真正满足3D打印建筑的施工需求，建造出来的建筑才能具有良好的性能，如我国上海的3D打印建筑采用的是建筑物废弃材料，将其粉碎磨细，加水泥、纤维、有机粘合剂等，制成牙膏状的“油墨”，进行打印；荷兰的专家采用了树脂及塑料类的材料；美国的研究人员采用了树脂砂浆类、粘土类、混凝土类材料进行3D打印建筑试验。从这些实例中可以发现，3D打印建筑技术对材料的性能有着严苛的要求。

（１）强度

3D打印建筑技术所使用的材料的强度高低决定了可以打印出何种高度的建筑物。目前3D打印建筑多为１～２层的低矮建筑，如临时房屋或展览厂房等，对材料抗压强度要求不高，但要使3D打印建筑技术推广运用于多层、小高层建筑中，则需要进一步提高打印材料的抗压强度。

（2）保温节能

由于建筑节能是我国的基本国策，所以在3D打印建筑技术的研究与开发过程中，可以从打印材料人手，探索不同的保温节能方案。目前国内外的3D打印建筑所使用的材料中，有保温节能型打印材料，采用树脂型材料打印蜂窝结构墙体，达到保温隔热的节能目的；也有非保温节能型打印材料，采用其他类型的材料打印空腔墙体，在向墙体中添加泡沫材料或再次浇筑发泡材料，达到保温隔热目的。

（３）抗震性能

建筑结构抗震问题一直是建筑工程行业中的难题之一。通过3D打印成型建筑，由于其材料和结构的均匀性较好，因此可以按照仿生学原理优化建筑空间、优化结构节点和构件。但如何打印出抗震性能良好的钢筋混凝土结构，依旧是3D打印建筑、材料、设备、工艺的重点难题。

（４）经济性

随着3D打印技术的不断发展，打印材料也多种多样。作为极具使用性的3D打印建筑，其打印材料不仅要能满足技术性能，还要具有良好的经济性。目前打印建筑的材料主要以水泥、石灰、石膏、黏土、砂子、碎石为主。研究如何通过材料和结构的相互结合相互优化以降低综合造价，达到良好的经济性，依旧是3D打印建筑技术应突破的问题。

综上所述，3D打印建筑技术的应用已经成为建筑行业的一种时尚潮流，对该项技术的研究任重而道远，需要相关人员能够加大研究力度，对3D打印建筑技术的缺陷予以弥补，使之更加具有经济性和实效性，从而促进建筑工程社会效益、经济效益和生态效益真正达成协调统一，为建筑行业的可持续发展贡献一份力量。

参考文献

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[3]马义和,张海滨.3D打印集成建筑技术与应用[J].新建筑.2017(02)