3D打印技術在建筑領域的應用和影響

伍昱熹 王承旭 吳靜

摘 要：隨著《中國制造2025》計劃的持續推進，建設制造強國的任務越發的艱巨，不少項目建設都存在一些實質性的問題，如：勞動力緊缺和從業人員素質低下、項目實施情況與預期不符等。但3D打印技術的出現就能解決項目建設決策期、實施期和管理期的不少問題。3D打印技術的特點為：高效率，定制化。本文將依托3D打印的特性，具體闡述3D打印技術在項目可行性探討、項目管理以及項目建設期間有何促進作用及其相應的缺陷。

關鍵詞：3D打印技術；應用；缺陷

1.3D打印技術概況

3D打印（3D printing）是一種快速成型的增材制造技術，其前身是“快速成型技術”。3D打印技術大致思路是：逐層堆積材料。但3D打印的核心不在于精度，精度可以通過一定的表面處理（如機器進行拋光）達到，其關鍵在于材質。按照材料的物理特性分類，可以分為：液體材料、粉末材料、絲狀材料、塊狀材料等；按照材料的化學性能分類，可以分為：高分子材料（如樹脂、石蠟等）、金屬材料（如鋁、鈦合金等）、無機非金屬材料（如石膏、陶瓷等）及其復合材料。在建筑項目的進程中，應按照材料特性適當選取，從而合理推動項目穩定持續發展。如：Enrico Dini利用3D打印機直接打印一棟完整的建筑，該建筑使用的打印原料為沙子。其打印過程中，利用鎂基膠和沙子合適的配比，打印出強度如巖石的固體，滿足建筑強度要求。

2.3D打印技術與BIM技術在建筑的結合應用

3D打印通過其技術特性的實現可以將建筑物模型立體地展現出來，打印出各個細部構件，并且不被模型的尺寸限制。但在實現這些功能前，需要保證已經有精確的模型設計參數和工程量。而目前已經成熟的BIM技術就可以達到它所需的要求，BIM技術在建筑行業已經有了很大的發展并且還在不斷進步。在工程管理中將兩種技術有效地融合，可以解決現階段建筑行業發展的局限，使項目更加經濟化和環境友好化，推動制造強國的實現。

2.1項目決策期的應用

BIM技術可以確保模型設計參數的直觀展現，而3D打印技術可以對建筑整體更加真實而立體化地加以展現，有利于建筑設計的總體展示。但模型不僅僅局限于總體展示，由于BIM建模項目中含有項目的所有參數，所以3D打印技術也可以勝任局部部件的分別呈現，從而更加清晰地呈現建筑材質與結構特性，有利于提高在項目決策階段的評審效率和質量。如：SLA技術中，僅能采用液態樹脂作為打印材料，從實用性考慮，并不適合作為建筑材料直接使用，但是考慮到它的特性：SLA可成型任意復雜零件；精度高，表面光潔度好；并做到100%原料重復利用率，這樣的特性使其成為項目決策期的項目模型展示技術；管線設計中，BIM和3D打印技術相結合，能為水管、電線、燃氣、地暖等設施預留設計空間，避免后期返工造成不必要的損失。

2.2施工管理期的應用

在建筑模型的設計過程中，傳統的軟件CAD設計的圖紙和使用的技術通常局限于X-Y軸的二維平面的展開，難以表達。相比之下BIM技術就能有效規避這樣的問題，可以對建筑設計加以更加直觀的展現。在這樣的基礎上，我們就能夠在項目建設期有效地控制工程量和工程進程。除此之外，BIM技術可以規避實際施工中產生的各種沖突或碰撞。這樣的大前提之下，運用3D打印技術將細部部件加以組裝展示，從而高效地管理并確保項目在施工期的順利進行。

2.3施工建材的應用

隨著3D打印技術的發展，打印材料越發的多樣化和復合化，部分技術手段已經能打印出具有一定強度的建筑材料構建。在這樣的前提下，我們有理由相信產品能在一定程度上取代傳統建筑材料。2014年，荷蘭Dus Architects公司開工打印一座別墅，這是整個歐洲第一座完全利用3D打印技術修筑的建筑，該項目的建成從一定程度上驗證了3D打印材料取代傳統建筑材料的可行性。同時，基于此項目，建筑學家致力于證明直接打印建筑的各個部件，可以減少甚至消除浪費和運輸成本。

3.3D打印技術在建筑領域的影響

3D打印在社會很多方面都得到了一定的運用，在建筑行業中主要體現為對傳統制造的沖擊，傳統方式制造建筑部件往往需要較長的時間，這會影響到建筑物的建造周期。而3D打印成型方式不需要任何模具就可以直接生產制造出原型部件，同時可以快速制造原型產品。這便可以縮短項目建設周期，降低建設成本，引導建筑結構朝著裝配式發展。

由于生活質量不斷提高，人們對于建筑物的要求不再停留在居住層面，建筑物需要美觀的外形和奇妙的創意。3D打印可以帶我們進入不一樣的建筑世界，建造出越來越多大眾從未見過和甚至超出認知的建筑模型，而且建筑設計師們對建筑結構和外形的創新將會不斷地被引出來，突破傳統的思維。

基于3D打印的特性，我們可以體會到3D技術相較于傳統建筑行業的幾大優點：1）減低生產成本；2）縮短工期；3）提高質量；4）環境友好型；5）高度定制化；6）可復制利用。最關鍵的優勢在于無需人為干預，可以精簡工作人員，從而減少生產成本和削減錯誤。

4.3D打印技術的缺陷

4.1成本優勢不明顯

現階段我國的3D打印設備的關鍵核心部件仍然需要進口，這使得3D打印設備的價格居高不下。當我們生產結構復雜、高度定制化和小批量產品時，3D打印可以規避傳統制造業的一些問題，但是當需要大批量生產時，3D打印技術并不占優勢。傳統成型工藝是基于材料的等材或減材制造，而 3D打印還需要較高的時間成本。

4.2產品質量不佳

局限于技術的發展，3D打印還不能充分地控制打印過程材料的空隙率、密度、恒一性等。這會影響物品的設計外形和嚴重損害產品性能。還有一點值得注意：若在打印期間，中上層發生材料堆積，將會對下層材料造成一定壓力，若短期內，下層材料并未達到一定強度，下層材料將會因為受到壓力影響，發生變形，進而將會對整個建筑的質量造成不良影響。

4.3相關規定不完善

由于3D打印在建筑行業的應用尚屬于起步階段，針對3D打印建筑的研究較少，其性能和使用年限與普通建筑標準是否相同，還值得考究。因而，為了實現對3D打印技術應用的規范，要不斷完善相關規定，避免3D打印技術在應用過程中出現問題。其次，3D打印技術使得建筑物變得容易復制，盜版行為就會更加猖獗，導致建筑物的知識產權的斗爭愈發激烈。

5 結語

雖然我國的3D打印技術還是處于初級階段，在打印速度，打印精度和成型尺寸上有較多的局限。但是在國家積極推動“中國制造2025”的大背景下，3D打印技術會有較好的發展前景，一旦目前的技術難題得到突破，舊有的產業鏈和產業關系將會支離破碎。并且在建筑行業能夠得到更多的運用，實現低成本、短工期、高質量、環境友好型的建設目標。

總的來說，3D打印還有很多技術細節和法律規范需要完善。3D打印技術僅僅是一項技術，而能創造獨一無二產品的依舊是人的思想，就像是山頂洞人使用火進入新紀元一樣，如何在建筑領域善用這項技術，仍然值得我們思考。

參考文獻

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（作者單位：四川省綿陽市西南科技大學土建學院）