3D打印技術的研究現狀與在建筑行業的應用前景

摘 要：本文梳理了3D打印技術的概念，分析了國內外各領域3D打印技術的研究趨勢，重點研究了建筑鄰域3D打印技術的研究現狀，同時指出了該技術在建筑業的應用前景，以期為下一步深入研究3D打印技術提供有益的參考。

關鍵詞：3D打印；研究現狀；建筑業；應用前景

3D打印思想最早出現于19世紀末，直到20世紀80年代人類才制造出了第一臺3D打印機。3D打印是一種可以運用真實材料建造實體的快速成型技術，目前已經應用到許多學科領域。基于此，本研究以3D打印技術概念為立足點，分析了國內外各領域3D打印技術的研究趨勢，重點研究了建筑鄰域3D打印技術研究現狀，同時指出了其在建筑業的應用前景，以期對進一步研究3D打印技術有所啟示。

一、3D打印技術概念

3D打印技術是一種制造過程，利用實體材料將讀取的信息逐層打印出來，再將其以各種方式粘合起來制造出實體，縮短了大量制造時間，提升了成品精準度，現逐漸用于產品或零部件的直接制造。

二、國內外3D打印技術研究現狀

國外3D打印技術已有30多年的歷史，已在航空航天、汽車、生物醫療等領域得到廣泛應用，我國對于3D打印技術的研究還處于初步階段，相比先進國家依然存在著較大的差距。2015年國務院發布的《中國制造2025》規劃綱要中，至少有六處指出3D打印，凸顯出我國對于該技術的重視。本文以“CNKI”作為文獻樣本來源，“3D打印”為檢索詞，搜索20082016年內發表的核心期刊論文（包括被CSSCI、EI及SCI收錄的文獻），共獲取1065篇，發現從2013年起關于3D打印的論文數量迅速攀升，說明3D打印技術已成為當前各領域學者關注的一個熱點內容，也將成為未來研究的重點。

三、3D打印技術在建筑領域研究現狀

（一）建筑設計

目前3D打印機在建筑設計領域上應用廣泛，在建筑設計階段主要用來制作建筑模型。于雷指出設計師可打印出1：1實體構件來直觀評估其形式與功能[1]。因此3D打印技術是一種高效的設計輔助工具，其可視化、立體化可以增加設計師創作時的感知，有利于設計方案的確定。

（二）沙盤制作

過去沙盤制作一般需找專業公司制作配件，再整體組合，過程復雜、時間長、費用高、細節精度低，而3D打印機可直接將三維圖打印出來，對精細度、時間及難度都有了很大提高。所以利用3D打印技術制作的沙盤較傳統沙盤制作有了質的飛躍，必將成為今后發展趨勢。

（三）工程施工

目前3D技術在工程施工方面的應用主要有美國的“輪廓工藝”、英國的“Dshape”及英國的“混凝土打印”。

1.輪廓工藝

2001年美國加州大學教授Behrokh提出“輪廓工藝”技術 [2]，以水泥砼為材料，利用計算機控制3D打印機按照設計圖逐層打印房屋輪廓，再用機械手臂完成其基本構架。經過多年發展，輪廓工藝愈漸成熟，國外有團隊已開始研究在月球上建造太空基地的可能性[3]。

2.Dshape

2007年意大利工程師Enrico提出了一種通過噴擠粘結劑來選擇性膠凝硬化逐層砂礫粉末實現堆積成型的方法及Dshape[2]。該技術所用材料并非水泥材料，而是砂礫粉末，打印成型的構件強度高、整體性好，大幅降低了碳排放，但其打印過程緩慢，構件尺寸受機械限制且成本高。

3.混凝土打印

國外研究學者Richard等人研發了新型水泥基漿體材料，并成功打印包含精確定位孔洞的混凝土面板及墻體等[4]。而我國對3D打印技術的使用也有了很大突破。清華大學馮鵬等采購了美國Z Corporation公司生產的3D打印機，研究了工程結構中可能采用的粉末和液體混合膠凝體系的3D打印結構的細觀特征和力學性能[5]。

總之建筑3D打印建造技術的研究還剛剛起步，尚存在許多問題，距離真正應用于房屋建筑的建造還有較大差距。而且，3D打印技術在社會經濟效益評價方面還處于空缺，還需在技術工藝發展成熟、機械材料成本得到有效控制后才能真正應用于各個領域。

四、3D打印技術在建筑行業應用前景

本研究將其在建筑行業應用的發展前景歸納為以下3點。

（1）用于建造應急性、臨時性建筑。3D打印的建造成本相對于傳統人工低、周期短，一旦發生地震等自然災害，可為災民提供住所。

（2）設計可視化。設計師可通過3D打印技術更加靈活地調整設計以達到最優化。

（3）不規則建筑。3D打印建筑是一種精細化數控操作方式，比人工建造更精準，更能將建筑實體完整制造出來。

五、結語

3D打印技術作為現代信息技術的一個主要部分，在許多領域已有了顯著成果。本文通過研究其在建筑領域中的應用現狀，發現3D打印技術的研究還存在許多弊端，尚存在許多問題沒有得到有效解決，如建筑材料等問題，使得距離真正應用于高層房屋建筑還有較大差距，因此下一步應集中研究解決3D技術在建筑領域應用的局限性，爭取在3D打印建造技術的局部領域有所突破，以加快建筑產業現代化的發展步伐。

參考文獻：

[1]于雷.三維打印技術在建筑設計中的互為反饋作用[J].住區，2013（6）：6570.

[2]Soar R.The Role of Additive Manufacturing and Physiomimetic Computational Design for Digital Construction[J].Architectural Design，2012，82（2）：126135.

[3]Khoshnevis B，Thangavelu M，Yuan X，et al. Advances in Contour Crafting Technology for Extraterrestrial Settlement Infrastructure Buildup[C].AIAA SPACE 2013 Conference and Exposition，2015.

[4]蔣佳寧，高育欣，吳雄，等.混凝土3D 打印技術研究現狀探討與分析[J].混凝土，2015（5）：6265.

[5]馮鵬，孟鑫淼，葉列平.具有層狀結構的3D打印樹脂增強石膏硬化體的力學性能研究[J].建筑材料學報，2015，（2）：115.

作者簡介：費倩儒（1993），女，漢族，陜西西安人，碩士，研究方向：工程項目管理。