淺談3D 打印技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用趨勢

王海潤

2019 年10 月13 日，河北工業(yè)大學(xué)副校長馬國偉教授帶領(lǐng)其研究團(tuán)隊(duì)完成的裝配式3D 打印趙州橋在河北工業(yè)大學(xué)北辰校區(qū)落成。該成果主要對(duì)早期的3D打印經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了借鑒，并將智能監(jiān)測、BIM 技術(shù)和模塊打印技術(shù)應(yīng)用進(jìn)來，對(duì)原有的裝配模式予以優(yōu)化，將虛擬化、智能化以及新型化的特色全部展現(xiàn)出來。

1.3D 打印技術(shù)的主要概念

3D 打印技術(shù)本身是一種基于數(shù)字模型，對(duì)材料進(jìn)行疊加，并通過打印的方式完成構(gòu)造的技術(shù)類型。相比于傳統(tǒng)打印技術(shù)，3D 打印技術(shù)具備較強(qiáng)的連通性特色，能夠?yàn)轫?xiàng)目提供相應(yīng)的模板，在電腦中，將產(chǎn)品信息輸入，之后依靠設(shè)備完成所有打印工作。由于此類技術(shù)具備較強(qiáng)的數(shù)字化特點(diǎn)，因此在多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。尤其是建筑行業(yè)，本身對(duì)于各方面條件都有著非常高的要求，在應(yīng)用該技術(shù)之后，自然能夠有效解決許多問題[1]。

2.3D 打印技術(shù)的應(yīng)用意義

2.1 提升施工效率

早期在進(jìn)行建筑施工的時(shí)候，往往需要大量人力成本，從基礎(chǔ)工作內(nèi)容入手，逐步完成搭建。這種模式一方面會(huì)消耗大量成本，另一方面還會(huì)損耗許多時(shí)間，整體施工難度非常大，效率極為低下。而在應(yīng)用了3D 打印技術(shù)之后，絕大多數(shù)工作都能交給設(shè)備自己完成，因此就能有效減少人力成本的投入。此外，由于整個(gè)工序具有一體化特點(diǎn)，使得施工項(xiàng)目的基本環(huán)節(jié)得到簡化，進(jìn)而提升了效率。

2.2 提升施工環(huán)保性

早期在進(jìn)行施工的時(shí)候，建筑物對(duì)材料部分有著非常高的要求，不僅各方面條件都要達(dá)到規(guī)定要求，而且整體投入也比較高。在施工結(jié)束之后，還會(huì)有大量垃圾出現(xiàn)，建材資源沒有得到有效應(yīng)用。在應(yīng)用了3D 打印技術(shù)之后，能對(duì)施工建筑的諸多材料進(jìn)行打印，這些材料多數(shù)來源于廢棄材料，因此能夠有效降低施工投入，同時(shí)達(dá)到循環(huán)利用的效果，對(duì)現(xiàn)有的自然環(huán)境給予了有效保護(hù)。

除此之外，在施工影響方面也有改善。早期在進(jìn)行施工的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)有大量噪聲污染出現(xiàn)，并伴有大量粉塵和建材垃圾，不但會(huì)對(duì)施工環(huán)境造成巨大影響，而且會(huì)對(duì)周邊居民的生活帶來干擾。在應(yīng)用了3D 打印技術(shù)之后，基本上不再會(huì)有大規(guī)模施工項(xiàng)目出現(xiàn)，在降低噪聲污染的同時(shí)，還能大幅度減少粉塵和垃圾，進(jìn)而起到了環(huán)保的效果。

2.3 降低施工難度

伴隨社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)個(gè)性化需求方面有了更高的重視度。尤其是建筑設(shè)計(jì)，實(shí)際風(fēng)格也變得極為多元化。不僅如此，現(xiàn)如今人們普遍傾向于流線型設(shè)計(jì)模式，但由于操作難度較大，給施工工作帶來了諸多困難。在應(yīng)用了3D打印技術(shù)之后，能夠有效降低施工難度，提升建筑物結(jié)構(gòu)的合理性，推動(dòng)施工行業(yè)不斷進(jìn)步。

2.4 提升施工水平

對(duì)建筑施工來說，本身屬于一些工程量相對(duì)較大的項(xiàng)目，有任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會(huì)對(duì)整個(gè)建筑物造成巨大影響。早期在進(jìn)行建筑施工的時(shí)候，因受員工的能力限制，或者材料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致建筑施工未能達(dá)到預(yù)期。在應(yīng)用了3D打印技術(shù)之后，對(duì)現(xiàn)有的材料進(jìn)行重新分解，促使整個(gè)建筑物具備更為優(yōu)秀的物理屬性，使用壽命有所延長。同時(shí)將人為因素造成的負(fù)面影響降至最低，無論是精確度還是綜合質(zhì)量，都能得到有效保證[2]。

3.3D 打印技術(shù)的應(yīng)用難點(diǎn)

3.1 材料要求苛刻

（1）價(jià)格較高。由于3D 打印技術(shù)當(dāng)前仍然不夠成熟，還處在研究發(fā)展的階段，許多材料都十分昂貴。因此，如果施工企業(yè)需要應(yīng)用這一技術(shù)，自然需要投入大量成本。

（2）通常而言，在進(jìn)行施工的時(shí)候，對(duì)各類建材垃圾的應(yīng)用難度較高，諸如混凝土、砂漿等。由于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展水平不到位，并未達(dá)到輸出的要求，影響了實(shí)際效果。

（3）對(duì)于3D 打印技術(shù)的應(yīng)用而言，材料一直都是其中非常重要的部分。工作人員主要采用管道的形式，完成運(yùn)輸傳遞工作。然而，這類運(yùn)輸模式的整體效率非常低。

3.2 打印過程缺乏靈活性

從當(dāng)前情況來看，3D 打印技術(shù)的最大問題是整個(gè)過程無法逆轉(zhuǎn)，工作人員需要在工作項(xiàng)目開始前，按照規(guī)定要求，將相關(guān)數(shù)據(jù)資料填入，并設(shè)置對(duì)應(yīng)的模型，制定全部流程。如果在打印的時(shí)候，設(shè)備無論出現(xiàn)哪方面的問題，工作人員都無法及時(shí)調(diào)整，更談不上解決。

3.3 對(duì)結(jié)構(gòu)限制較高

對(duì)3D 打印技術(shù)來說，本身的適用性相對(duì)偏低，只能制作一些可以實(shí)現(xiàn)自我支撐的物件，而一些不能進(jìn)行自我承重的物件，工作人員就需要通過使用3D打印的方式，為其額外設(shè)置一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)。如此自然就給打印工作帶來了諸多影響。不僅如此，少部分物品具有較大的跨度，基于現(xiàn)有的技術(shù)，暫時(shí)無法對(duì)其展開打印。這樣一來，自然讓3D 打印技術(shù)的應(yīng)用范圍有所縮減。

3.4 人力成本較高

在進(jìn)行生產(chǎn)工作時(shí)，普遍應(yīng)用的3D打印設(shè)備都有著非常大的體形，整體操作難度相對(duì)偏高，而且在實(shí)際打印時(shí)，還要確保設(shè)備一直處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。如此一來，自然需要耗費(fèi)大量人力成本[3]。

4.3D 打印技術(shù)的應(yīng)用趨勢

4.1 建筑設(shè)計(jì)層面

早期在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)的時(shí)候，由于設(shè)計(jì)能力有限，設(shè)計(jì)思路往往比較狹窄。即便提出了一些較為先進(jìn)的方案，通常因?yàn)槭┕つ芰τ邢蓿罱K不得不選擇放棄。不僅如此，由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作基本上以構(gòu)建圖紙的方式為主，即使有創(chuàng)新的思路存在，也很難依靠圖紙的形式進(jìn)行表達(dá)。在應(yīng)用了3D 打印技術(shù)之后，設(shè)計(jì)師只需要根據(jù)現(xiàn)有的情況，設(shè)計(jì)一個(gè)3D 模型，并將相關(guān)資料傳到計(jì)算機(jī)之中，就能直接展開施工工作。如此一來，設(shè)計(jì)思路就會(huì)得到全面拓展，實(shí)際設(shè)計(jì)的作品也將更具藝術(shù)化特點(diǎn)。在未來，3D打印技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，廣大用戶直接從網(wǎng)絡(luò)下載相關(guān)資料，按照自己的想法，大膽嘗試，完成施工工作，或者設(shè)計(jì)相關(guān)方案，進(jìn)而提升施工項(xiàng)目的自動(dòng)化程度[4]。

4.2 建筑材料層面

如今，我國建筑行業(yè)已經(jīng)開展了基于陶瓷以及黏土的材料探究，對(duì)早期的建材模式完全顛覆。不僅如此，伴隨3D打印技術(shù)的發(fā)展，未來還會(huì)有許多全新的復(fù)合類材料出現(xiàn)，同時(shí)對(duì)建筑剩余材料展開探索，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用的目標(biāo)，提高材料應(yīng)用率，縮減成本投入。此外，應(yīng)用于3D 打印技術(shù)制作的材料，在物理性能層面，相比傳統(tǒng)材料更為優(yōu)秀，因此就會(huì)使得未來建筑的綜合性能進(jìn)一步提升，相關(guān)研究工作也會(huì)從早期的宏觀，慢慢過渡到微觀。混凝土是當(dāng)前施工工作應(yīng)用率最高的材料種類，伴隨3D 打印技術(shù)的快速發(fā)展，其基本性能會(huì)出現(xiàn)一定的轉(zhuǎn)變，諸如混凝土制造，將一些特定的水泥或者樹脂融入，經(jīng)過攪拌后，使之更好地滿足打印工作的實(shí)際需求。

4.3 投入成本方面

從當(dāng)前情況來看，在建筑施工的過程中，通過應(yīng)用3D 打印技術(shù)，整體投入成本顯然更高。究其原因是此類技術(shù)尚處于開發(fā)階段，相關(guān)配套技術(shù)還沒有研究到位。而在未來，3D 打印技術(shù)將更加成熟，尤其是數(shù)字建模、建筑設(shè)計(jì)以及材料應(yīng)用等技術(shù)將持續(xù)進(jìn)步，使得3D 打印技術(shù)的整體投入成本有效下降，進(jìn)而展現(xiàn)出更好的效果。

此外，伴隨3D 打印設(shè)備的普及，建筑企業(yè)只要在購入相關(guān)設(shè)備之后，定期展開更新即可，無須額外投入更多成本，因此使得企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益持續(xù)提高。尤其是在3D 打印技術(shù)得到進(jìn)一步普及后，每一個(gè)人都能按照自己的想法，對(duì)建筑物展開設(shè)計(jì)，或者建設(shè)外部環(huán)境。從某種角度來說，這是社會(huì)高度發(fā)展的重要體現(xiàn)。

4.4 功能技術(shù)方面

在未來，3D 打印技術(shù)還會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，不會(huì)局限在特定的行業(yè)之中。3D 打印設(shè)備，將能獨(dú)立完成施工工作、裝修工作，還能對(duì)一些無法獨(dú)立支撐的結(jié)構(gòu)展開制造，使設(shè)計(jì)工作的思路變得更為開闊。相關(guān)設(shè)備也會(huì)逐步朝著人工智能以及遠(yuǎn)程操作的方向發(fā)展，提高制作效果，適應(yīng)各類不同的環(huán)境。即使沒有工作人員，同樣能夠自我檢查，找出自身的問題，及時(shí)予以維修，提升運(yùn)用的實(shí)際效果[5]。

5.結(jié)束語

綜上所述，建筑施工行業(yè)，早期在進(jìn)行施工設(shè)計(jì)的時(shí)候，一直采用傳統(tǒng)方案，效率極為低下。工作人員需要轉(zhuǎn)變態(tài)度，積極應(yīng)用3D 打印技術(shù)，有效提高施工工作的整體效率，減少污染，同時(shí)保障施工人員的個(gè)人安全。相關(guān)人員需提高重視度，做好研究工作，充分發(fā)揮技術(shù)的優(yōu)勢，推動(dòng)整個(gè)建筑行業(yè)持續(xù)進(jìn)步。