3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

董 林

（山東華邦建設(shè)集團(tuán)有限公司 山東 濰坊 262500）

1 引言

現(xiàn)代信息科技的發(fā)展對(duì)于推動(dòng)建筑行業(yè)的進(jìn)步有著重要意義。3D打印技術(shù)作為現(xiàn)代科技的典型代表，在建筑行業(yè)的應(yīng)用可以充分發(fā)揮其模擬價(jià)值，能夠構(gòu)建立體的模型，確保工作人員直觀地查看建筑工程產(chǎn)品的最終結(jié)果。為了進(jìn)一步發(fā)揮該技術(shù)的作用，相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)明確3D打印技術(shù)的流程，落實(shí)該技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 3D打印概述

3D打印技術(shù)是一種新型的制造技術(shù)，綜合應(yīng)用了計(jì)算機(jī)、機(jī)電、數(shù)控、激光、新材料，主要是用3D打印機(jī)逐層累計(jì)疊加形成三維結(jié)構(gòu)實(shí)體，主要材料為粉末和片狀絲狀等離散型材料，制造加工過(guò)程包括切、削、磨、鉆等方式。在建筑領(lǐng)域應(yīng)用3D打印技術(shù)主要流程為監(jiān)理三維模型、模擬三維模型、分層切片處理、規(guī)劃層片路徑、加工與疊加層片。美國(guó)3D打印技術(shù)委員會(huì)按照如下方式定義3D打印技術(shù)：3D打印技術(shù)完全不同于傳統(tǒng)材料加工方法，以CAD模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建模型并且逐層增加材料，制造出和三維物理實(shí)體模型完全一致的數(shù)學(xué)模型。建筑工程中3D打印技術(shù)流程如下。

（1）建立三維模型。當(dāng)前構(gòu)建三維模型的方法包括兩種，一種是利用Autocad、Pro/e、UG等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件直接建模，另一種是通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和逆向反求原理完成三維實(shí)體模型的構(gòu)建。

（2）近似模擬三維模型。想要在快速成型系統(tǒng)中使用數(shù)據(jù)格式就要將三維模型及時(shí)轉(zhuǎn)化為能夠被系統(tǒng)識(shí)別的數(shù)據(jù)。當(dāng)前存在STL、CLI、LMI等多種可以被快速成型系統(tǒng)識(shí)別的文件格式，其中最為常用的數(shù)據(jù)格式為STL文件格式。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件能夠直接輸出STL格式文件。

（3）分層切片處理。3D打印過(guò)程主要是離散、堆積，通過(guò)近似擬合一系列平行、等間距的二維模型才能構(gòu)建出和加工需求一致的三維模型，我們將這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為分層切片處理過(guò)程，產(chǎn)品精確度隨著分層的數(shù)量增多而提高，但是同時(shí)也會(huì)增加加工時(shí)間。有的產(chǎn)品對(duì)精確度要求不高，為了縮短加工時(shí)間可以將分層減少。

（4）合理規(guī)劃層片路徑。分層切片處理得到的層片輪廓要根據(jù)3D打印加工的要求轉(zhuǎn)化成打印噴頭運(yùn)動(dòng)路徑從而填充層片，我們將這個(gè)過(guò)程稱(chēng)之為層片路徑規(guī)劃。通過(guò)實(shí)現(xiàn)層片輪廓到具體噴頭運(yùn)行路徑的轉(zhuǎn)化能夠?qū)崿F(xiàn)打印效果的優(yōu)化，提升3D打印合理性。

（5）層片加工和疊加。在噴頭運(yùn)行路徑規(guī)劃好后能夠加工和疊加層片。在控制系統(tǒng)控制之下，3D打印噴頭能夠按照規(guī)劃好的路徑開(kāi)始打印，然后通過(guò)疊加最終得到計(jì)劃的產(chǎn)品。

將3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域主要利用的是3D打印技術(shù)堆積原理，利用工業(yè)機(jī)器人完成構(gòu)建鋪設(shè)材料的工作。在建筑領(lǐng)域所用的3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括打印頭、耗材、介質(zhì)、機(jī)械組件等類(lèi)似于傳統(tǒng)打印機(jī)的構(gòu)件。根據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的三維模型數(shù)據(jù)和運(yùn)行程序分層打印并且逐層疊加得到建筑實(shí)物，利用建筑3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)從計(jì)算機(jī)三維模型到實(shí)物的轉(zhuǎn)化[1]。

3 3D打印技術(shù)的特征

3D打印技術(shù)具有多樣性、專(zhuān)業(yè)性、全覆蓋性等特點(diǎn)，其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用有助于提升建筑工程建設(shè)水平。

3.1 3D打印技術(shù)的多樣性

3D打印技術(shù)容易受到諸多方面的因素影響，比如打印技術(shù)、產(chǎn)品精密度、價(jià)格等。3D打印技術(shù)是一種有著較強(qiáng)綜合性的技術(shù)，需要很多公司共同完成該技術(shù)的應(yīng)用，可見(jiàn)，3D打印并不是一項(xiàng)單一的技術(shù)，而是具有多樣性特征，需要充分發(fā)揮出各項(xiàng)技術(shù)的價(jià)值和優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用中為企業(yè)創(chuàng)造效益。3D打印技術(shù)的多樣性特點(diǎn)對(duì)企業(yè)技術(shù)占有率、企業(yè)發(fā)展水平等方面都有著決定性作用。

3.2 3D打印技術(shù)的專(zhuān)業(yè)性特征

專(zhuān)業(yè)技術(shù)擁有率的大小是決定3D打印市場(chǎng)的管件因素，通過(guò)研究當(dāng)前3D打印機(jī)可知，目前“雙巨頭+專(zhuān)業(yè)性”是當(dāng)前3D打印技術(shù)的主要表現(xiàn)形式，其專(zhuān)業(yè)性特征十分明顯。當(dāng)前3D打印技術(shù)研究的基礎(chǔ)為各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)，需要充分體現(xiàn)并且發(fā)揮出各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)才能快速實(shí)現(xiàn)3D打印技術(shù)商業(yè)化發(fā)展，才能實(shí)現(xiàn)相關(guān)資料的獲取，才能將3D打印技術(shù)的重要市場(chǎng)地位充分凸顯出來(lái)。

3.3 3D打印技術(shù)的全覆蓋特征

目前，市場(chǎng)上很多企業(yè)可以為人們提供3D實(shí)體產(chǎn)品、設(shè)備、平臺(tái)等相關(guān)服務(wù)，這種多種方法的運(yùn)行模式體現(xiàn)了3D打印技術(shù)的全覆蓋性特點(diǎn)。在3D打印市場(chǎng)上，有的企業(yè)專(zhuān)注于一種技術(shù)設(shè)備材料，通過(guò)針對(duì)性地研究某一種特殊分化的技術(shù)形成了具有一定規(guī)模的特色公司，為客戶專(zhuān)門(mén)提供材料、設(shè)備等服務(wù)。可見(jiàn)，在3D打印技術(shù)實(shí)際市場(chǎng)運(yùn)行中，可以形成全覆蓋的產(chǎn)業(yè)鏈，構(gòu)建相應(yīng)的平臺(tái)，提供針對(duì)性的材料設(shè)備，將3D打印市場(chǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈范圍擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)全面覆蓋[2]。

4 建筑領(lǐng)域3D打印技術(shù)的應(yīng)用分析

4.1 應(yīng)用于建筑構(gòu)件中

建筑師在打印過(guò)程中主要采用的方式包括激光燒件、節(jié)點(diǎn)式，每一節(jié)點(diǎn)分段的打印都要嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)圖紙比例中的要求，直到最終制作完成建筑物模型，實(shí)現(xiàn)組合拼接，達(dá)到節(jié)約物力、人力的效果。同時(shí)，在建筑構(gòu)件模型制作中利用3D打印技術(shù)操作便捷，能夠?qū)?gòu)件的適用性和美觀性提升。3D打印技術(shù)在一些建筑物附屬裝飾品上也得到了廣泛的應(yīng)用，比如在異常復(fù)雜化的中式古典建筑、歐式壁雕裝飾物表面結(jié)構(gòu)中可以充分發(fā)揮3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)的施工方式需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，工作效率不高，構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、細(xì)節(jié)部分難以把控，而3D技術(shù)有效地解決了這些問(wèn)題，能夠通過(guò)基底建模和計(jì)算機(jī)控制比例精確、批量生產(chǎn)構(gòu)件，完成局部細(xì)節(jié)的嚴(yán)格控制。3D打印技術(shù)在建筑裝飾中的高效應(yīng)用促使建筑裝飾逐漸朝著細(xì)節(jié)處理、技術(shù)優(yōu)化等方向進(jìn)步[3]。

4.2 應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)方案中

在建筑項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)階段客戶、團(tuán)隊(duì)成員之間的認(rèn)識(shí)和想法存在較大的差異性，不同的要求和認(rèn)識(shí)導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案難以高效確認(rèn)，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)圖紙也難以充分為客戶、施工人員所理解，所以二維圖難以完整地展現(xiàn)出整個(gè)工程的全貌，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中如果后期產(chǎn)生了不同的意見(jiàn)那么必然會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)發(fā)生變更甚至無(wú)法按照計(jì)劃推進(jìn)。利用3D打印技術(shù)能夠直觀完整地展現(xiàn)出整個(gè)建筑工程項(xiàng)目，通過(guò)打印出方案實(shí)體，能夠直觀呈現(xiàn)出設(shè)計(jì)方案的建設(shè)結(jié)果，相關(guān)人員根據(jù)實(shí)體模型明確自己的要求，合理調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)做好協(xié)調(diào)處理，提升建筑設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性。工作人員尤其要考慮建筑工程的景觀、道路交通等方面的問(wèn)題，利用3D打印技術(shù)能夠直觀完整地展現(xiàn)出建筑產(chǎn)品建成后的效果。在設(shè)計(jì)階段，每個(gè)細(xì)節(jié)、每個(gè)項(xiàng)目、每個(gè)環(huán)節(jié)都可能會(huì)對(duì)建筑產(chǎn)品的質(zhì)量安全產(chǎn)生影響，如果設(shè)計(jì)不合理很可能出現(xiàn)嚴(yán)重的后果。利用3D打印技術(shù)可以明確設(shè)計(jì)方案可行性，降低設(shè)計(jì)方案失敗的概率，可以降低設(shè)計(jì)階段不足造成的損失。

4.3 3D技術(shù)在古建筑修復(fù)中的應(yīng)用

古建筑修復(fù)工作的困難和問(wèn)題較多，如果僅僅是古建筑外觀局部受損且不嚴(yán)重，尚可高效完成修復(fù)，但是如果是結(jié)構(gòu)受損，那么受到不同材料、地域因素、時(shí)間等方面的影響，將難以高效修復(fù)古建筑結(jié)構(gòu)。很多古建筑有著十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，所用材料較為特殊，受到材料、結(jié)構(gòu)等諸多方面因素的限制，導(dǎo)致古建筑結(jié)構(gòu)修補(bǔ)困難重重。人工觀察修補(bǔ)雖然能夠解決一些損壞之處，但是修補(bǔ)結(jié)果難以切實(shí)達(dá)到預(yù)期要求。比如榫卯結(jié)構(gòu)是我國(guó)古建筑中十分常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，如果單純地依靠現(xiàn)代技術(shù)難以切實(shí)將損壞之處修復(fù)，通過(guò)利用3D掃描技術(shù)能夠?qū)沤ㄖ谋韺舆M(jìn)行持續(xù)性觀察，做好圖像收集整理，然后利用計(jì)算機(jī)技術(shù)合理計(jì)算分析圖片數(shù)據(jù)，最終獲取古建筑表層空間數(shù)值，并且對(duì)物體三維輪廓進(jìn)行精確地計(jì)算描繪，實(shí)現(xiàn)高精度的打印，保證能夠契合古建筑結(jié)構(gòu)。利用3D掃描技術(shù)能夠完美地復(fù)刻出古建筑物中的形態(tài)細(xì)節(jié)，將需要的部分打印出來(lái)，精準(zhǔn)地拼接到原建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中。綜合利用3D掃描、CAD等能夠快速完成修復(fù)模具的制作[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)如今建筑行業(yè)越來(lái)越重視3D打印技術(shù)，很多企業(yè)都開(kāi)始積極創(chuàng)新和發(fā)展該技術(shù)。當(dāng)前3D技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)房屋拼裝打印，但是在復(fù)雜建筑模型打印方面仍然需要相關(guān)工作人員進(jìn)一步研究探索。未來(lái)建筑行業(yè)發(fā)展中將會(huì)進(jìn)一步應(yīng)用3D技術(shù)，并且會(huì)逐漸改善建筑行業(yè)的發(fā)展方式，為居民創(chuàng)造出更加舒適的建筑產(chǎn)品。