3D打印技術在建筑行業(yè)中的應用分析

齊玉清

（內蒙古建筑職業(yè)技術學院 呼和浩特市 010070）

1 引言

建筑業(yè)采用3D打印技術近期經常成為頭條新聞?！癟he Economist”2017年6月低調宣布：“3D打印和智能計算機可能會徹底改變建筑業(yè)”，CNN網(wǎng)站早些時候提出了這樣的問題：“世界的下一個特大城市會從3D打印機中滴出來嗎？”這些新聞表明，媒體對于某項技術，相對它的潛力，更多地關注它當前的成就。3D打印將成為制造過程中常見甚至標準的方法，然而這項技術廣泛應用的時間仍然不確定。研究人員近十年來一直在3D打印或增材制造技術領域進行努力，一些大型公司已經開始認真投資，不僅是建筑公司，還有建筑材料制造商。市場對這項技術也是非常期待的。

2 3D打印在建筑行業(yè)中的應用

3D打印是指由計算機控制機器來自動逐層生產物理對象。該機器通常由數(shù)字3D模型引導工作，并熔化金屬或粉狀固體或噴射液體或半液體材料來制造構件。這項技術有十分廣泛的應用——從外科手術植入物到汽車零配件，再到航空航天項目的輕型結構等等。這種多功能性歸因于三個主要因素：可以使用各種合適的材料（特別是聚合物，金屬，陶瓷，砂漿或混凝土）；幾乎無限的自由設計；以及在現(xiàn)場或場外靈活、經濟地創(chuàng)建復雜形狀的能力。3D打印自動化生產的這些特征，與建筑行業(yè)有著近乎完美的匹配。

考慮一些3D打印與建筑行業(yè)的符合之處：建設項目通常需要定制設計；它們涉及液體或易彎曲的材料（通常是復合材料），需要現(xiàn)場硬化；建筑行業(yè)越來越依賴于自動化（至少在發(fā)達國家），以避免延誤，超支和技術勞工短缺。對于建筑公司來說，在客戶，納稅人和政府都面臨越來越大的壓力下，一天24小時都能自動打印建筑物或零部件的技術將會有一個非常受歡迎的前景。在此背景下，建筑行業(yè)采用3D打印技術的速度肯定會加快。主要原因如下：

2.1 技術進步

建筑3D打印設備和材料不斷完善，成本不斷下降。新型打印機正在實用化-例如那些更巧妙地利用機器人技術并且更好地適應復合材料的技術，而且正在實現(xiàn)新的應用。

2.2 新進入者

最近將3D打印技術應用于生產的公司數(shù)量激增。2013年初，該領域僅有20家初創(chuàng)企業(yè)。今天，大約有65種提供服務，如建筑師和工程師原型解決方案，軟件和設計工具，大型結構組件甚至整個建筑。

2.3 施工企業(yè)的戰(zhàn)略措施

那些大型建筑公司將不得不適應新的現(xiàn)實，無論他們喜不喜歡。其中一些已經做出了戰(zhàn)略決策，成為這項新技術的早期采用者。2017年2月，法國領先的建筑公司Vinci購買了法國創(chuàng)業(yè)公司XtreeE的股份，該公司專門從事混凝土結構元件的印刷。另一位法國建筑巨頭布依格與南特大學團隊合作，幫助開發(fā)Batiprint3D工藝，并開始在南特印刷社會住房?？鐕邪藺ECOM與Winsun簽署了一項為期三年的協(xié)議，共同加強3D打印在建筑行業(yè)的應用。

還有幾家建筑材料供應商也開始接受這項技術。與Vinci一樣，水泥制造商LafargeHolcim與XtreeE合作開發(fā)了一系列特別適用于3D打印的實驗混凝土混合材料。奧地利模板專家Doka Ventures已獲得美國創(chuàng)業(yè)公司Contour Crafting公司30%的股份，該公司是建筑行業(yè)3D打印機生產商中的翹楚。

2.4 技術推動

由于設備，材料和工藝的進一步突破，技術限制肯定會有所緩解。在適當?shù)臅r候，3D打印將可以與傳統(tǒng)的現(xiàn)場施工和預制方法相媲美，并且可能會被用來生產數(shù)量更多，規(guī)模更大的結構，以及用來制作更專業(yè)和更復雜的構件和建筑。

3 3D打印技術對建筑行業(yè)的有利方面

3.1 設計自由

通過降低生產非標準形狀構件的成本，3D打印可讓建筑師和設計師自由發(fā)揮。該技術可以將復雜的設計轉變?yōu)槌鰝鹘y(tǒng)建筑施工單位能力的實際結構。正如新的口號所言，“如果你不能建造它，就把它打印出來?！?/p>

3.2 自主建設

影響許多高收入國家建筑行業(yè)的技工短缺問題很快就會變得無關緊要了-自主或半自主3D打印機只需要很少的人工操作。此外，由于其中一些打印機比傳統(tǒng)工程機械（如起重機）更輕，更具可移動性，所以可用于那些預制構件無法運抵的危險區(qū)域或偏遠地區(qū)。盡管價格昂貴，但可以降低整體設備成本，而這通常占傳統(tǒng)建筑項目成本的20～25%。

3.3 交貨的可預測性和速度

通過全天候運行，減少現(xiàn)場施工問題，3D打印機可大幅縮短施工時間。并且，建筑材料的交付問題將減少，各行業(yè)之間的復雜交互也將減少。

3.4 可持續(xù)發(fā)展

3D打印將減少建筑行業(yè)對環(huán)境的有害影響。首先，據(jù)一些專家稱，3D打印的大部分原料都可以是回收材料。此外，3D打印可以消耗更少的材料：通過創(chuàng)建復雜的形狀（例如懸垂物和折疊）以實現(xiàn)絕緣和遮陽等功能，無需額外的材料或單獨的結構單元。

3.5 特殊屬性

例如，通過使用錐形，中空或蜂窩結構，以及對“拓撲優(yōu)化”的掌握，3D打印可以賦予其產品特殊性能，例如提高抗張強度或增強絕熱性，而不會增加其重量。

只有在大規(guī)模應用3D打印時，才能實現(xiàn)全部優(yōu)勢。這個時間取決于克服各種障礙的速度有多遠。

4 3D打印技術未來的發(fā)展前景

從長遠來看，隨著技術和市場的成熟，3D打印可能會變成現(xiàn)在建筑技術的狀態(tài)，如預制-承包商可根據(jù)需要從專業(yè)分包商那里獲得?；蛘咧攸c可能落在專門的設備上，承包商可以從設備供應商租用或租賃。這種情況下，3D打印即的服務模式將得到發(fā)展：技術公司將專注于生產復雜的3D打印結構進行出售，或者他們會將設備和熟練的工作團隊租給承包商；工作室將專注于生成設計或3D建模；而軟件公司則會出現(xiàn)專攻設計自動化的軟件公司。對于這樣的公司來說，這種更加分散，更專業(yè)化的方案比一條龍方案更具吸引力：它看起來更具可擴展性，需要較少的資本和知識以及較少的勞動力；而且可以規(guī)避大部分風險。

也許有一天，大型建筑物將全部由一臺打印機打印出來，除了按下開關和補充原料之外，不需要任何現(xiàn)場工作人員，這是一個非常遙遠的愿景。一個更現(xiàn)實的前景是保留幾個獨立的程序以及自治或半自治系統(tǒng)，包括加固，混凝土擠壓，表面銑削和絕緣，但將它們與人類工作者緊密結合。在不久的將來，建筑3D打印將進一步擴大其作用，推廣和改進其特殊應用，如印刷模具或復雜組件，并與日益復雜和雄心勃勃的設計保持同步。如果資本被繼續(xù)投入到該領域中，這一發(fā)展勢頭必定會繼續(xù)下去。