3D打印技术在建筑工程领域的应用与前景

张 皓 安宇尘

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)



3D打印技术在建筑工程领域的应用与前景

张 皓 安宇尘

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

介绍了3D打印的概念及原理，分析了3D打印技术在建筑工程中的应用现状，指出3D打印建筑具有成本低、工期短、环保等优势，在建筑工程领域的应用前景非常广阔。

3D打印建筑，建筑工程，打印技术

3D打印(3 Dimensional Printing)自问世以来便受到了广泛关注，它不同于普通打印机以墨水和纸张为主进行生产工作，而是以金属、陶瓷、塑料、砂等实实在在的原材料进行生产工作。随着时代的发展，“绿色建筑”“生态建筑”“环保建筑”等这些新兴理念在建筑领域得到了广泛的宣传，通过3D打印技术生产出来的产品能够满足建筑领域的使用。它不仅满足国家提出的产业转型的要求，更是为我国建筑业发展指明了方向。

1 3D打印的概念及其原理

3D打印是快速成型技术的一种，其实质是增材制造技术，它是制造业领域的一项新兴技术，又被称作“第三次工业革命的重要生产工具”。它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。根据成型原理的不同，3D打印技术分为以下五种：SLA(立体平版印刷)技术，FDM(融化沉积)技术，SLS(分层激光烧结)技术，LOM(逐层轮廓成型)技术和SGC(光掩膜)技术。

2 3D打印建筑的优势

众所周知，一个新兴方向的发展必然是有优点，并且提供更方便的工作使用状态。3D打印建筑的优势可以归结为以下三点：

1)实物化，缩短工期。在建设过程中，安全性是一个重要问题，通过3D打印技术制作出的建筑构件能够满足安全性的要求。

并且，在建筑设计阶段，通过BIM软件建立的模型即使已经足够具体化但在实际操作中还需要人们想象。由3D打印技术制作出的实物模型可以完美解决该问题，彻底实现将想象化为具体，为施工带来极大的便利。此外，3D打印建筑将复杂变具体，解决了传统建设施工中的一系列繁琐程序，实现了一体化操作，加快了建筑效率，节省了工期。

2)消化建筑垃圾。传统的建设施工中需要用到很多材料，如水泥、沙子、钢筋、混凝土等等，在建筑完成后会产生很多的建筑垃圾，建筑垃圾的增多却无法解决，带给人们很大的压力，不得不寻找改变此紧迫局面的方法。3D打印建筑材料，即“油墨”，它的出现是对类似产品的回收再利用，它实现了重复利用的原则，更具有就地取材的优势。这种方法正好解决了中国建筑当前的“高耗能，粗放型”模式，它的推广是必然的。

3)成本低廉，保护环境。3D打印建筑的“油墨”价格低，在生产“油墨”过程中它省去了制造传统建筑材料过程中的中间过程，最终促使在建设过程中总成本可降低50%～60%。并且在建造过程中3D 打印技术数字化操作过程无噪声，不产生扬尘，有助于保护环境，更加的宜人宜居。

3 3D打印技术在建筑工程中的应用

3D打印技术应用的十分广泛，在建筑领域中如果有完整的规范，它将有替代传统建筑方法的趋势。随着信息资源的共享交流加快，许多方面都与国际逐渐接轨，因此人们在生活许多方面都有越来越多的要求，在建筑领域也不例外，新型的建筑设计要求越发复杂化，3D打印技术促进了建筑领域的发展也成为了现在必不可少的新工具。

3D打印技术在建筑领域的应用主要分为两个方面：建筑设计阶段和工程施工阶段。建筑设计阶段主要是制作建筑模型，在这个阶段设计师可以将虚拟模型直接打印为建筑模型；工程施工阶段主要是利用3D打印技术建造建筑，通过“油墨”即可快速完成工作。这样节省能耗，有利于推进城市化进程和城镇化建设。但3D打印建筑也还有如下问题需要我们解决：

1)打印机器的限制。3D打印技术在静态形状的处理上很完美，但在动态形状的处理上它的清晰度缺乏保证。日常生活中我们常用2D打印机进行工作学习，而且我们有个根本性常识就是图纸越大出图的机器越大，如果同理应用于3D打印中，那机器需要比建筑物大。机器越大越难生产而且精度和工作效率会随之降低，因此现阶段这个问题急需解决。

2)3D打印建筑的安全问题。首先，通过3D打印技术制造出的房屋结构是否与传统行业制造出的一样坚固还需我们长期的验证。其次，建筑的抗震性是否满足要求。一般来说，因为使用一些超轻全新材料，打印房子的自重小于传统房屋，但还是会有自重变大的情况，所以值得考虑该问题。最后，建筑的耐撞击性也需要国家出台相应的标准来进一步检验。

3)建筑物高度与施工工艺问题。3D打印建筑的能力当前仍停留在平面扩展阶段，因此低层建筑使用3D打印技术多。但对于高层建筑，需要通过3D打印制造后经过组装来实现，较不便利。在施工工艺问题上，经3D打印基础制造出的模型略粗糙，表面凹凸不平，应该在打印阶段就处理好，将其抹平。同时，在打印过程中实现对构件的配筋也是我们需要考虑的综合性问题。

4 3D打印在建筑工程领域的前景

一百多年的时间里，经过钢筋混凝土和现代建设技术的发展，世界已经发生了巨大的变化，一座座摩天大楼堆砌的城市屹立在世界的各个角落。3D打印技术从发明到现在仅仅是几十年时间，即使现在还属于探索时期但还有许多有价值的发现等待我们挖掘，我们一定有理由相信3D打印建筑的时代终将来临。

1)3D打印建筑的成本比传统建筑低，它十分适用于贫困群体居住和紧急安置住房，因此具有一定的需求层面。3D打印建筑建设时间短，20 h可以打印出来一所300 m2的房屋，在自然灾害等突发状况发生后十分适用。并且它可操控性强，可以定制成不规则的建筑物及构筑物，在满足规范后甚至可以用于建造别墅、农村住宅、高层住宅等，3D打印建筑需求层面还是可接受的。

2)3D打印建筑解决了传统建筑的单一外观问题，现在已经可以制造出曲面造型。设计师在未来可以通过想象创造建筑，在改变建筑结构形式的同时也为建筑领域的发展增添了新的活力。这些新的活力也会促进其他产业的发展，如信息技术、BIM、材料科学，如果3D打印建筑在未来得到普及，那它的影响力将会无穷。

3)未来的3D打印机可能变成将建筑物的管道、墙面抹灰、装饰等多种功能合而为一的多功能打印机，因此建筑物的处理上具有更大的灵活性。同时，远程操作功能若使用在3D打印机上，那么人工耗时又会有一定的降低。总之，随着技术的不断完善，3D打印建筑将变得越来越便利。

5 结语

现阶段，3D打印建筑进行的简易建筑的拼装制造已经实现，但是这种技术研究还刚刚起步，它本身还有一些技术问题没有解决。3D打印技术应用于建筑领域已经让人们看到它的未来并随之惊喜，可是我们还需要对这种技术进行思考，比如如何控制原材料价格使成本更低；如何建立相关标准体系来适应我国国情发展；如何鼓励推广企业采用3D打印建筑建造技术；如何突破核心技术。我们有理由相信，一个以“制作简单、环保、低成本”为宗旨的3D打印技术会颠覆传统建筑业，必将广泛应用于建筑领域成为行业乃至世界的新标杆。

[1] 郭丽君.3D打印会“引爆”新工业革命吗[J].中国科技投资，2013(4):18-19.

[2] 邓国平.建筑3D打印：从概念到现实[N].中国建设报，2014-05-16.

[3] 丁烈云， 徐 捷，覃亚伟.建筑3D打印数字建造技术研究应用综述[J].土木工程与管理学报，2015(9):1-9.

Application and prospect of 3D printing technology in the field of construction engineering

Zhang Hao An Yuchen

(NortheastForestryUniversity，Harbin150040，China)

The thesis introduces the concept and principles of 3D printing, analyzes the application status of 3D printing technology in building engineering, and finally points out its advantages, such as low cost, short construction duration and environmental protection and so on. Therefore, it will have wide application prospect in building engineering field.

3D printing building, building engineering, printing technology

1009-6825(2016)11-0017-02

2016-02-01

张 皓(1995- ),男，在读本科生； 安宇尘(1995- )，女，在读本科生

TU201.4

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