3D打印技術(shù)及其在裝配式建筑中的應(yīng)用研究

成飛 劉欣

1.江蘇省泰興中等專業(yè)學(xué)校 江蘇 泰興 225499

2.江蘇金麟技術(shù)檢測鑒定集團有限公司 江蘇 泰州 225300

裝配式建筑是一種在工廠預(yù)制構(gòu)件，然后在現(xiàn)場組裝的建筑模式。這種建筑方式能夠提高施工效率，減少浪費，并且有利于環(huán)境保護。然而，傳統(tǒng)的裝配式建筑在構(gòu)件形狀和設(shè)計上存在一定的限制。而引入3D打印技術(shù)可以將復(fù)雜的建筑構(gòu)件以及精美的外觀裝飾元素準(zhǔn)確打印出來，為裝配式建筑提供了更多的可能性，對裝配式建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展具有重要的推動作用。

1 3D打印技術(shù)與裝配式建筑的內(nèi)涵

1.1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)，也稱為增材制造（AM），是一種通過計算機控制的材料逐層疊加來創(chuàng)建三維形狀的制造方法。3D打印技術(shù)最早于1980年代開發(fā)，但由于技術(shù)難度和高昂的成本，應(yīng)用范圍有限。但是隨著技術(shù)的不斷進步和價格的下降，3D打印技術(shù)才逐漸廣泛應(yīng)用于建筑、機械等各個領(lǐng)域[1]。比如在建筑領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可用于直接制造建筑構(gòu)件，從而實現(xiàn)高度個性化的設(shè)計和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。

1.2 裝配式建筑

裝配式建筑是一種工業(yè)化建造方式，它采用系統(tǒng)化設(shè)計、模塊化拆分、工廠制造和現(xiàn)場裝配的方式建造房屋。在工廠中，建筑構(gòu)件被預(yù)先加工制造，然后在現(xiàn)場進行組裝，從而大大提高了施工效率并減少了浪費。裝配式建筑適用于規(guī)模化生產(chǎn)，其優(yōu)勢在于快速、高效、節(jié)能、環(huán)保，并有助于降低建造成本。

2 3D打印技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用優(yōu)勢

隨著科技的進步，3D打印技術(shù)已經(jīng)從一個概念性的技術(shù)變成了現(xiàn)實的解決方案，3D打印技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用優(yōu)勢明顯，可以提高生產(chǎn)效率、實現(xiàn)精確的建筑設(shè)計，滿足用戶的個性化需求、減少建筑垃圾的產(chǎn)生，具體表現(xiàn)如下：

2.1 提高裝配式建筑的生產(chǎn)效率

一方面?zhèn)鹘y(tǒng)裝配式建筑需要在現(xiàn)場進行組裝，而3D打印技術(shù)可以在工廠預(yù)制構(gòu)件，使得裝配過程更加迅速高效，縮短工期。另一方面通過精確地設(shè)計和規(guī)劃，3D打印技術(shù)不僅可以自動化地生產(chǎn)建筑部件，而且可以減少建筑材料的浪費，從而大大提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本[2]。

2.2 提高裝配式建筑的質(zhì)量

基于三維掃描、三維建模和人工智能等技術(shù)的3D打印，不僅讓裝配式建筑設(shè)計師可以設(shè)計出傳統(tǒng)建筑方式難以實現(xiàn)的復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)，而且由于3D打印技術(shù)的高精確性，可以保證構(gòu)件的尺寸精準(zhǔn)度和一致性，從而提高建筑的質(zhì)量以及其穩(wěn)定性、安全性。

2.3 減少裝配式建筑的人力成本

在傳統(tǒng)的建筑施工過程中，需要雇傭大量的工人來完成搬運和組裝建筑構(gòu)件等各種繁重的工作，然而3D打印技術(shù)可以將建筑構(gòu)件以層層疊加的方式打印出來，從而減少了傳統(tǒng)制造和組裝過程中的人力工作量[3]。這種高度自動化的制造方式不僅可以提高使得建筑構(gòu)件的生產(chǎn)效率和精確度，同時減少了對人力的依賴，降低了建筑施工的人力成本，減少了因為人為因素引起的錯誤。

2.4 實現(xiàn)個性化的建筑設(shè)計

3D打印技術(shù)可以最大化發(fā)揮設(shè)計師的創(chuàng)意靈感，使建筑師能夠更快、更省力地展示他們的設(shè)計和創(chuàng)意想法，從而設(shè)計出更加獨特、個性化的裝配式建筑風(fēng)格和裝飾，以滿足用戶的個性化需求[4]。因此3D打印技術(shù)以其快速定制和靈活性的優(yōu)勢，能夠根據(jù)裝配式建筑師的設(shè)計意圖，直接將復(fù)雜的建筑部件打印出來，有效解決了裝配式建筑缺乏個性化的問題。

2.5 助力綠色建筑的實現(xiàn)

3D打印技術(shù)可以減少建筑垃圾的產(chǎn)生，降低生產(chǎn)裝配過程的環(huán)境濡染。傳統(tǒng)的建筑方式會產(chǎn)生大量的建筑垃圾，而3D打印技術(shù)可以最大化利用建筑材料，減少建筑垃圾的產(chǎn)生，有利于環(huán)保。另外，由于3D打印技術(shù)可以精確地控制建筑構(gòu)件的制造，還可以減少不必要的材料使用，避免減少浪費的材料，進一步降低了建筑成本。

3 3D打印技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用挑戰(zhàn)

3.1 技術(shù)成熟度不足，應(yīng)用范圍有限

目前的3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)中尚處于不斷探索和發(fā)展階段，技術(shù)的成熟度仍然需要時間的積累，因此3D打印技術(shù)可以打印的建筑材料、建筑尺寸限制、所打印建筑的穩(wěn)定性和宜居性仍然有較大的發(fā)展空間。比如適用于3D打印技術(shù)的建筑材料對于強度、穩(wěn)定性、可打印性、耐候性、可持續(xù)性都具有較高的要求，而目前可用于3D打印建筑的材料仍然比較有限，難以滿足所有類型的建筑設(shè)計和施工要求[5]。

3.2 對專業(yè)人員要求高，培養(yǎng)難度大

3D打印技術(shù)涉及機械原理、模具設(shè)計、房屋結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)原理、CAD繪圖、計算機編程等知識內(nèi)容，同樣也要求3D打印的技術(shù)人員要必須精通計算機、機械、材料、建筑、土木、自動化等專業(yè)知識和技能，才能充分3D打印技術(shù)在裝配式建筑中的優(yōu)勢。但是3D打印技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用對于裝配式樣建筑設(shè)計和施工人員專業(yè)能力的高要求，也使得對專業(yè)人才的培養(yǎng)面臨著較大的困難。

3.3 法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)缺乏

目前，自2012年以來，中國多個部門相繼推出了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015—2016年）》等3D打印產(chǎn)業(yè)政策，將3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展提升至國家戰(zhàn)略層面。但是對于3D打印建筑的法律法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還沒有完善，無法確保3D打印裝配式建筑的安全性和質(zhì)量[6]。比如3D打印建筑的法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)缺乏，無法對于3D打印裝配式建筑材料的穩(wěn)定性、環(huán)保性以及建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性進行評估和規(guī)范，難以保障3D打印技術(shù)在裝配式建筑的應(yīng)用價值。

4 3D打印技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用

4.1 3D打印技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用情況

3D打印技術(shù)的發(fā)展以及在裝配式建筑中的應(yīng)用情況，與3D打印材料的發(fā)展以及3D打印的成型方式緊密相關(guān)。3D打印的成型技術(shù)主要有立體光固化、材料噴射、粘結(jié)劑噴射、粉末床熔融、材料擠出、定向能量沉積、薄材疊層等幾種，其中應(yīng)用于建筑業(yè)的主要是粘結(jié)劑噴射、材料擠出、粉末床熔融和定向能量沉積四種，比如粉末床熔融打印利用高能激光束或電子束來熔化金屬粉末，一層一層地逐漸堆疊成形，能夠批量生產(chǎn)和定制制造具有較高分辨率的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和大型零件[7]。

根據(jù)3D打印技術(shù)的原理以及3D打印技術(shù)在裝配式建筑中應(yīng)用情況（如表1所示），可以得知，自1997年3D打印技術(shù)開始在建筑領(lǐng)域應(yīng)用以來，隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟以及打印材料的不斷豐富，用于3D打印的建筑材料也逐漸多樣化和復(fù)合化，從不再局限于簡單的墻體打印，而是擴充到混凝土構(gòu)件、金屬構(gòu)件、玻璃構(gòu)建、塑料構(gòu)建，加大滿足了裝配式建筑的設(shè)計與施工需求。

表1 3D打印技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用案例

4.2 3D打印技術(shù)在裝配式建筑中的應(yīng)用場景

（1）建筑設(shè)計階段：3D打印技術(shù)在非標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)建中設(shè)計和生產(chǎn)加工具有顯著的優(yōu)勢，讓裝配式建筑設(shè)計突破了現(xiàn)有的制水平和建筑水準(zhǔn)。特別是3D打印技術(shù)與BIM、增強現(xiàn)實、激光技術(shù)、熱成像技術(shù)的有機結(jié)合，極大提高了建筑設(shè)計的可視化、智能化、信息化程度，提高了建筑設(shè)計的效率。另外，在裝配式建筑的規(guī)劃和設(shè)計階段，建筑模型是非常重要的輔助工具。3D打印技術(shù)可以用于制作高質(zhì)量的建筑模型，幫助建筑師和客戶更直觀地了解建筑設(shè)計和布局。

（2）建筑構(gòu)件打印階段：目前3D打印技術(shù)主要應(yīng)用于多層裝配式建筑的制造之中，其基本流程是先在工廠中打印各種建筑構(gòu)件，再運輸?shù)绞┕がF(xiàn)在進行裝配，然后針對局部混凝土的澆筑和建筑外立面的修飾（如圖1所示）。在裝配式建筑中，3D打印技術(shù)不僅僅可以打印墻體，而且利用3D打印機的高精度和靈活性，可以生產(chǎn)出各種復(fù)雜形狀的構(gòu)件，以滿足不同建筑設(shè)計的要求[8]。

（3）施工階段：傳統(tǒng)裝配式建筑施工現(xiàn)場經(jīng)常會出現(xiàn)建筑構(gòu)件在組裝時與現(xiàn)場環(huán)境產(chǎn)生較大誤差的問題，從而導(dǎo)致裝配式建筑構(gòu)件的替換、返廠再造或廢棄，造成了較大的經(jīng)濟損失和材料浪費。而3D打印技術(shù)可以根據(jù)現(xiàn)場的環(huán)境進行設(shè)計、打印和組裝，提高了裝配式建筑構(gòu)件和組裝施工的精準(zhǔn)性，大大減少了在裝配式建筑構(gòu)件在設(shè)計、制造、裝配和修改中所花費的時間和精力。另外，在建筑主體和主要構(gòu)件裝配完畢之后，也可以借助3D打印技術(shù)可以根據(jù)設(shè)計師的創(chuàng)意進行，制造出雕塑、立面裝飾板等各種精美的建筑外觀裝飾元素，為建筑增添藝術(shù)價值和個性化特色[9-11]。

（4）建筑的維護和節(jié)能改造階段：在建筑的維護方面，裝配式建筑相對于傳統(tǒng)建筑，可以更加方便快捷地對于一些損壞的建筑構(gòu)件進行替換和修補。在借助三維掃描技術(shù)對裝配式建筑進行實掃描之后，使用3D打印技術(shù)還原出精確的模型，為裝配式建筑的修復(fù)工作提供參考和依據(jù)。另外在建筑的節(jié)能改造方面，3D打印技術(shù)可以制造出輕質(zhì)、高強度的節(jié)能環(huán)保建筑材料和建筑構(gòu)件，通過更換部分構(gòu)件或外墻材料，提高建筑的隔熱性能和保溫性能，從而實現(xiàn)節(jié)能效果。

5 結(jié)語

綜上所述，3D打印技術(shù)為建筑行業(yè)帶來新的革命性變革，在提高裝配式建筑的生產(chǎn)效率和質(zhì)量、減少裝配式建筑的人力成本、 實現(xiàn)個性化的建筑設(shè)計、助力綠色建筑的實現(xiàn)等方面發(fā)揮著重要作用，但是也面臨著3D打印技術(shù)成熟度不足、應(yīng)用范圍有限、法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)缺乏、對專業(yè)人員要求高等眾多挑戰(zhàn)。但是隨著3D打印技術(shù)的不斷進步和相關(guān)政策的完善，以及建筑行業(yè)與科技、材料、制造等行業(yè)之間的緊密合作，相信在不久的未來3D打印技術(shù)以實現(xiàn)更加復(fù)雜多樣的建筑構(gòu)件，極大拓展3D打印技術(shù)在建筑中的應(yīng)用范圍，為裝配式建筑的發(fā)展帶來更多的創(chuàng)新和發(fā)展。