3D 打印在建筑材料中的應(yīng)用淺析

楊 奔 黃國(guó)全 李開慧 陳統(tǒng)姬 陳姣硯

（北海職業(yè)學(xué)院）

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的新技術(shù)和新材料在建筑工程中得到應(yīng)用，3D 打印技術(shù)和3D 打印材料就是其中之一。與傳統(tǒng)制造工藝技術(shù)相比，3D 打印技術(shù)具有非常多的優(yōu)點(diǎn)：3D 打印技術(shù)不需要機(jī)械加工及制造模具，可以在計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)后直接打印出成品；3D 打印技術(shù)可以打印出傳統(tǒng)制造技術(shù)無(wú)法制造出的復(fù)雜非線性外形；3D 打印技術(shù)可以一定程度上簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程和縮短制造時(shí)間。在工程項(xiàng)目中，采用3D 打印技術(shù)能夠制造出形狀復(fù)雜的構(gòu)件而不增加制造成本；采用3D 打印技術(shù)能夠打破制造復(fù)雜構(gòu)件的定價(jià)模式并改變計(jì)算制造成本的方式；采用3D 打印技術(shù)在一定程度上簡(jiǎn)化了制作流程，設(shè)計(jì)師在計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)出模型后，可直接采用3D 打印機(jī)打印出構(gòu)件，避免還需另外聘請(qǐng)制造人員進(jìn)行構(gòu)件制造的流程，降低了成本，提高了效率；采用3D 打印技術(shù)可以提高分層制造，在一定程度上減少拼裝流程，實(shí)現(xiàn)整體設(shè)計(jì)、整體制造，例如采用3D 打印技術(shù)可以同時(shí)打印出一扇門及上面的配套鉸鏈及門栓，可在一定程度上縮短建造及拼裝時(shí)間；采用3D 打印技術(shù)可以依據(jù)需要進(jìn)行制造，即時(shí)生產(chǎn)，減少構(gòu)件的存放空間。目前，在建筑工程中，3D 打印技術(shù)在建筑土建材料建造、建筑設(shè)備材料建造等方面都有一定的應(yīng)用。

1 建筑材料建造中進(jìn)行3D 打印的必要性

在傳統(tǒng)建筑工程制造工藝中，如果需要砌筑柱、梁、板、結(jié)構(gòu)墻等混凝土構(gòu)件，往往需要先砌筑混凝土模板，再往模板中澆筑混凝土進(jìn)行混凝土構(gòu)件的砌筑。現(xiàn)階段用得比較多的模板主要有木模板和鋁合金等金屬模板。采用模板方式對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行砌筑，往往適用于砌筑線性標(biāo)準(zhǔn)型建筑構(gòu)件。隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)建筑的外觀、使用等要求也越來(lái)越高，越來(lái)越多的建筑開始采用多曲線、多曲面的非線性異形結(jié)構(gòu)。然而，如果采用模板方式對(duì)多曲線、多曲面的非線性異形結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件進(jìn)行砌筑，相應(yīng)的難度和成本將會(huì)大大地提高。例如，對(duì)于不規(guī)則曲面構(gòu)件的砌筑，由于木模板不易加工成不規(guī)則曲面模板，故木模板砌筑法不適用于多曲線、多曲面的非線性異形結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件；而如果采用鋁合金等金屬模板，則需要專門定制且不能重復(fù)利用，這會(huì)大大地增加相應(yīng)的制造成本。因此，多曲線、多曲面的非線性建筑構(gòu)件的制造及異形結(jié)構(gòu)建筑的砌筑，是傳統(tǒng)模板砌筑構(gòu)件生產(chǎn)模式的難點(diǎn)與缺陷。而3D 打印技術(shù)主要采用分層制造技術(shù)，且制造過(guò)程無(wú)需模板進(jìn)行固定，故通過(guò)3D 打印方式進(jìn)行多曲線、多曲面的非線性建筑構(gòu)件的制造及異形結(jié)構(gòu)建筑的砌筑，能夠較好地滿足相應(yīng)的建造要求。因此，3D 打印技術(shù)在建筑工程建造中應(yīng)用越來(lái)越多。

2 建筑3D 打印的相關(guān)研究及其應(yīng)用

對(duì)于混凝土3D 打印，很多學(xué)者進(jìn)行了研究，不少企業(yè)也在積極開展相關(guān)應(yīng)用研究和推廣。同濟(jì)大學(xué)的肖建莊、柏美巖、唐宇翔、馬義和、陳寒、劉浩然等學(xué)者回顧了中國(guó)3D 打印混凝土技術(shù)應(yīng)用歷程并預(yù)測(cè)了其發(fā)展趨勢(shì)。李之建、馬國(guó)偉、王里等學(xué)者對(duì)3D 打印連續(xù)微筋混凝土梁受彎承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。李維紅、王乾、陳旭浩、常西棟、陳宇紅、裴強(qiáng)等學(xué)者研究了纖維對(duì)3D 打印水泥基材料力學(xué)性能的影響。外國(guó)的R.A.Buswell,W.R.Leal de Silva,S.Z.Jones,J.Dirrenberger 等學(xué)者對(duì)混凝土3D 打印給出了研究思路。F.P.Bos,E.Bosco,T.A.M.Salet 等學(xué)者研究了短直鋼纖維增強(qiáng)三維打印混凝土的延性。Biranchi Panda,Suvash Chandra Paul,Ming Jen Tan 等學(xué)者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)纖維材料可增強(qiáng)三維打印建筑材料的各向異性力學(xué)性能。這些學(xué)者基于理論和試驗(yàn)的研究為混凝土3D 打印的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在相關(guān)學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，相關(guān)企業(yè)進(jìn)行了3D 打印房屋的嘗試。中國(guó)建筑集團(tuán)有限公司通過(guò)不斷試驗(yàn)，研究出了適合3D 打印的混凝土配方及混凝土3D 打印方法和機(jī)器（如圖1 所示），并成功打印出了一棟能實(shí)際居住的房屋。外國(guó)的相關(guān)企業(yè)也利用建筑3D 打印技術(shù)，成功在一周內(nèi)打印出了3 棟兩層別墅。由此可見，建筑3D 打印技術(shù)正逐步走向成熟并得到越來(lái)越多建筑企業(yè)的認(rèn)可。3D 打印技術(shù)除了在建筑土建逐漸得到應(yīng)用外，據(jù)相關(guān)報(bào)道，在建筑給排水工程、電氣工程、暖通工程中也得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

圖1 混凝土3D 打印

3 結(jié)語(yǔ)

本文從3D 打印的必要性、建筑3D 打印的相關(guān)研究及其應(yīng)用等方面闡述了3D 打印在建筑材料中的應(yīng)用，隨著3D 打印技術(shù)的進(jìn)一步成熟與發(fā)展，在建筑材料施工中使用3D 打印將會(huì)越來(lái)越多，將來(lái)對(duì)3D 打印在建筑材料中應(yīng)用的研究也將會(huì)更為深入。