3D打印技術在建筑工程中的應用探究

摘 要：3D打印技術的運用越來越廣泛，近年來受到各個相關行業的關注，這一新技術在建筑工程建中更是得到了突破性的應用，本文主要講述3D打印技術在建筑工程建設中的發展及應用，探索如何利用3D打印技術改善傳統建筑的方式和方法。

關鍵詞：3D打印技術 應用 建筑施工技術

3D打印技術是近年來新興的一種技術，自問世以來就得到了廣泛的關注，應用跨越各個領域。在建筑領域，它更是以簡捷方便的操作方式吸引了不少建筑人在這方面的研究，而在高校之中卻還沒得到相應的關注，高校作為培養人才的場所，是改革創新的主要力量，應該高度重視科技的發展，3D打印技術作為一種新型的科技，它具備著在建筑方面的巨大潛力，并且已經在建筑方面得到不少的研究成果。本文主要對3D打印技術在建筑工程建設中所起到的應用和發展進行研究和探討。

1、3D打印技術的發展

3D打印技術最早起源與美國，80年代后期，3D打印技術有了根本性的發展，1988年發明了分成實體制造，1989年發明了粉末激光燒結技術，1992年發明了熔融沉積制造技術，1993年在麻省理工大學發明了3D打印技術。1994年德國公司EOS推出了EOSINT選擇性激光燒結設備，1996年，3DSystems公司使用噴墨打印技術制造出其第一臺3D打印機――Actua2100；近年來出現的新型打印機包括壓電噴墨式、氣動式、電動式、電流體動力噴式和混合式等5種3D打印機，而現在正在發展的大眾化3D打印機包括工程設計用、簡易實驗用、學生學習用和家用等4種3D打印機。

2、3D打印技術原理

3D打印技術也稱三維打印技術或快速成型技術，就是在普通的二維打印的基礎上再加一維，使其最終形成一個三維物體，它工作原理是一種以數字模型文件為基礎，即需要先在計算機上建模，運用特殊蠟材、粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過將一層層地粘合材料打印制造三維的物體的技術，實現這種成型的設備稱為3D打印機。成型的方法方式也多種多樣，傳統的有噴墨粘粉式（3DP）和熔融擠壓式（FDM），近年來出現的新型打印機包括壓電噴墨式、氣動式、電動式、電流體動力噴式和混合式等，但是無論何種成型法，都是采取原料加層方法形成3D物體，這種打印實體的方式比傳統的技術要更加方便快捷，綠色節能。

3、3D打印在建筑工程建設中的應用

3.1 3D打印技術對建筑模型的初步應用

3D打印技術的應用極其廣泛，在各種領域都有所涉及，特別在建筑領域中的應用在未來有取代傳統建筑法之勢。現階段出于人們對建筑住房的要求越來越高，設計師們對建筑的設計不得不更加復雜化，目前傳統的制作模型方法已經不足以滿足人們的要求了，所以現在3D打印機是建筑設計師們必不可少的工具。

早在1986年，全球第一臺3D打印機就在這個世界誕生了，并且在同一年打印出了簡單的三維建筑模型。如今當你看見了一個完整的建筑模型被打印出來不用太驚訝，現在只要我們把建筑物的立體數據輸入電腦，按打印鍵，3D打印機機會根據數據打印出立體實物。幾年前，美國一位對3D打印技術極其的熟練而且對打印建筑物的速度能夠很好控制的并且設計建筑方面有著極其豐富經驗的建筑行業專家Rietveld architects的一項研究成果。自從2008他擁有屬于自己的3D打印機開始，他就不再使用紙張、紙板之類的去構思畫圖，而是使用3D打印機去試驗各種建筑小模型并且嘗試實體建筑物，并且能夠從里面學習到很多東西，不斷的進行著改進。自從他們明白了將3D打印技術使用度達到最大，他們就改掉了之前的打印方法，從而改進打印制作模型的技術。后來他們發現用3D打印技術的打印速度也非常重要，并且他們找到了能夠快速形成模型的軟件。經過這些重重改良之后，他們認為打印的效率和質量要擺在首位，他們白天的時候在軟件上設計建筑藍圖，在晚上進行打印，這樣晚上可以通宵打印他們的模型，到第二天早上建筑模型已經被打印出來了。

3.2 3D打印實體建筑物在各國逐步出現

在美國，LGM公司就是利用噴墨粘粉式三維大打印機，通過在高性能石膏粉上選擇性的噴射黏結劑來為客戶制作建筑模型。在英國，建筑師查理·布斯維爾曾致力于建造一臺4m×5m的的三維打印機，用于打印陶瓷、水泥、石膏、黏土、石灰、聚合物和金屬材料，構成建筑物。例如，精確的打印出混合多種材料的的墻體，不必分別進行單獨加工，墻體上能預留用于制作門窗的口子，也能將墻體打印出蜂窩結構，用于隔熱保暖，還能預留布置電線和管道的通路。

我國3D打印技術的應用也十分廣泛，無論是在建筑行業還是其他各個行業都得到了相當大的進步和發展。在上海，我國成功的在上海張江高新青浦園區內利用3D打印機打印出10棟建筑物，這些打印出來的建筑墻體主要利用建筑垃圾制成的特殊“油墨”然后按照計算機輔助設計（CAD）設計的圖紙和方案，經過一臺大型的3D打印機層層疊加噴繪而形成，然而令我們更吃驚的是，10棟小屋的建筑過程僅僅花費24小時。

3.3 3D打印技術打印建筑物實例

借助一臺大型的3D打印機所打印出來的。房子的面積不大，十來個平方，最高不過兩層，然而特別之處是我們看不到傳統施工方法和材料，現場我們看不到一磚一瓦，墻體是由一層層水泥材料堆疊而成，呈現出年輪蛋糕的結構，這也就是我們3D打印技術層層打印的原理所噴繪而成的這樣一個結構。據了解，用建筑垃圾制成的“油墨”是一種經過特殊玻璃纖維強化處理的混凝土材料，其使用年限和強度都高于鋼筋混凝土。而且由3D打印機打印出來的空心墻不但能夠很好地減輕了建筑物的自重，還能夠填充一些保溫材料或設計墻體結構，一次性解決墻體承重的結構問題。相同的，無論是橋梁、簡易工房、居民住宅、劇院或者是賓館、其建筑的強度都符合并且高于國家建筑行業標準，更讓我們想不到的是，這種“油墨”擠出后很快凝固，保證了打印機的連續打印，也即是說如果我們要建一棟25層的住宅樓，只要打好地基，僅需要半個月即可完成整棟樓的建筑框架，最后安裝好門窗，水管和電線管，最快一個多月我們便可入住。同時，使用3D打印建筑，綠色環保，節約材料和成本。

4、結語

在建筑業里，建筑設計師用3D打印機打印建筑物既快速又低成本、既環保又精美的方法，還節省了大量的建筑材料。現在3D打印技術打印建筑物這個領域已被許多國家應用，并且已有人居住在3D打印機所打印出來的建筑物里。3D打印技術打印建筑物在未來的22世紀將會有可能取代傳統的建筑方法，并且還將會用3D打印機直接打印出一整棟樓房，同時，可以根據建筑物數據一并打印出建筑樓房里面的家具。這樣的3D打印技術制作簡單、環保、又低成本，在將來定會廣泛地應用于全球。

參考文獻

[1]胡迪利普森，梅爾芭庫曼.3D打印 從想象到實現[J].網絡與信息，2014.

[2]羅軍.中國3D打印的未來[J].產業發展，2012.

[3]李小麗，馬劍雄，李萍，陳琪，周偉民.3D打印技術及應用趨勢[J].自動化儀表，2014（01）.

作者簡介：黃津麒（1996.02），男，河南開封人，河南大學土木建筑學院2014級本科生，土木工程專業475000。