论文部分内容阅读
摘 要：本文对3D打印技术及其在建筑领域中的应用特点、优势进行简要分析，进而结合近年来国内外建筑行业对3D打印技术的应用实例展开剖析，分析3D技术对建筑行业产生的影响，最后简要介绍了建筑行业中对3D打印技术的发展趋势与思路，望引起重视。
关键词：建筑行业 3D打印技术 影响
近年来，3D打印技术在社会范围内的各个行业与领域中都呈现出了非常快速的发展与进步，并逐步发展成为了现代模型、模具、零部件制造中最为高效的手段之一。已有大量研究中证实，通过对3D打印技术的合理应用，能够以较高的效率、较低的成本完成对关键部件乃至实物整体的制造与生产工作，形成复杂且精致的实物结构与造型。本文即从建筑行业发展角度入手，对3D打印技术的发展问题进行分析与研究。
一、略述3D打印技术
3D打印技术是一种建立在数字模型基础之上，通过对粉末状金属类、塑料类等具有可黏合性能材料的应用，逐层打印并构造整体的一种特殊打印技术。3D打印技术从本质上来说更加倾向于制造过程的特点，借助于对3D打印机械的应用，连续性分层打印并叠加，进而生成现实性的三维实体。作为一种全新的综合性应用技术，3D打印技术的应用实现了信息技术、数字建模技术、机电控制技术、以及材料化学技术等关键学科的综合应用，目前被广泛应用于航空航天、建筑、工业、医疗、服装等多个行业与领域中。从建筑领域的角度上来说，3D打印技术支持下所进行的房屋建造过程是借助于巨型化的三维打印机械设备，以混凝土、水泥砂浆作为基本原料，将3D打印机与计算机程序控制系统相连接，进而在全自动控制条件下将设计蓝图生成实物。与传统建筑施工建造技术相比，将3D打印技术与建筑施工相结合后体现出了以下几个方面的特点与优势：其一是建造速度快。在3D打印技术的支持下，能够快速实现各类单一原材料的融合，形成性能更加优良的复合材料，从而整体建设速度明显提高；其二是施工安全，在3D打印技术支持下，整个建造过程无需大量人工参与其中，从而施工安全风险得到了合理规避与控制；其三是施工成本低廉。由于3D打印建设期间无需使用模板，因此施工成本得到了明显节约，加之对各种废弃副产品的应用效率高，从而还具有绿色环保的特点。
二、3D技术与建筑行业发展
1.3D技术对建筑行业产生的影响。盈创建筑科技有限公司是我国在制造领域3D打印技术应用方面最具成熟经验的企业之一，目前已取得多项全球领先的3D打印技术以及应用突破。2014年5月上海市以特殊油墨材料（包括工业垃圾、建筑垃圾、水泥、玻璃纤维材料等在内），应用3D打印技术工建设形成了10幢3D打印建筑。计算机系统处理下以设计图纸为基本依据，控制1台大型3D打印机通过层层打印的方式形成建筑整体，建筑物墙体构件为中空形式，内部可填充一定保温材料，从而使建筑物结构具有良好的保温性能。在3D打印技术应用过程中，其机械操作与汽车式起重机操作方式基本类似，3D打印机喷嘴连续挤出条状油墨材料，通过层层堆叠的方式形成以墙体。在打印过程中应当攻克的技术难点为：在3D打印技术支持下油墨材料如何在层层堆叠的过程中不发生坍塌。同时，在3D打印机喷嘴挤出第2层油墨材料时，前1层油墨应当进入半凝固状态，在不发生流动的前提下确保2层黏合关系的紧密。2015年1月，我国成功打印迄今为止世界范围内高度最高的3D打印建筑，层高为5层，所有建造过程均经由3D打印技术实现。由于该建筑整体高度高，因此在建造过程中为了能够有效对抗地震荷载以及风力荷载作用力，在3D打印过程中于墙体内增加钢筋，同时对空心墙墙体进行了灌实处理，取得了结构可靠与稳定性的制造效果。
美国自2012年开始通过成功研发基于轮廓工艺3D打印技术的方式成功将3D打印技术与建筑工程相结合，依赖于对轮廓工艺的应用，可以在1天时间内完成总面积在230平方米左右2层层高楼房的建造任务，相较于常规工艺技术下的建筑时间以及建筑成本而言更具优势。3D打印技术领域中的轮廓工艺从外形上来看类似于桥式起重机，悬停在建筑物上，两侧为轨道，中间横梁部位为打印头。在打印操作过程中，横梁打印头可以沿上行、下行、前行、后行方向移动，完成坐标体系中横纵向坐标的打印工作，逐层完成对房屋建筑的打印任务。现阶段，基于轮廓工艺的3D打印技术可以以水泥混凝土作为基本原料，根据设计图设计方案，经3D打印机喷嘴喷射高性能且高密度混凝土原料，逐层打印隔间以及墙体，然后借助于机械式手臂完成房屋建筑的整体构架，整个操作过程可完全由计算机程序控制实现。在3D打印过程中，打印头可根据计算机控制程序所发出的相关指令，以类似于挤牙膏的方式在制定位置喷射出半流体形态水泥混凝土原料，然后自动弹出喷嘴上附带的泥铲，对所喷射混凝土原料的形状进行规整处理。
意大利同样自2012年开始尝试将3D打印技术与建筑领域相结合，并成功研发了可以适用于大规模、大型建筑物的3D打印机械，该专用机械外部结构类似于铝桁架结构，中部为打印头，结构质量小巧，运用灵活，可在实际使用中对3D打印机进行拆卸、组装、或运输。目前，应用该机械已经可以成功打印出高度在4米左右的建筑物，在打印头底部分布有大量的喷嘴，经由喷嘴喷射出镁质黏合物质，然后在镁质黏合物质上通过喷射砂石原料的方式铸成石质固体，从而满足墙体结构稳定性以及可靠性的要求。在该3D打印机正常运行过程中，打印喷头打印每层时厚度仅在5.0mm～10.0mm内，打印速度相对缓慢，但经打印制成的建筑结构整体质地可靠程度高，类似于大理石材料，相较于混凝土原料下的建筑结构而言性能更加可靠与稳定。近年来也有研究人员开始尝试在建筑結构中他通过增设钢筋的方式，以提高结构可靠性以及整体性性能。
2.建筑行业的发展。在促进建筑领域对3D打印技术的进一步应用与发展中，可遵循以下两条基本思路：第一是探索应用3D打印技术实现建筑实体全尺寸打印的技术方案，即和目前一样在搅拌站内将3D打印所需的混凝土或砂浆运到施工现场，经过巨型3D打印机将建筑物一层一层打印出来，其限制很明显，机器越大则越难制造，更重要的是机器越大，打印精度和打印速度就会越差，所以需要解决材料，控制，精度等基本问题；第二是探索实现3D打印机器人群组式集合打印的技术方案。即制造大量小型群组式机器人，同步实现对各个部位建筑实体的打印工作，克服3D打印机器人在尺寸方面的限制，并促进其发展经验的进步完善。
三、结语
从当前的社会发展角度上来看，已有部分创新型公司开始探索3D打印技术与建筑建造施工结合问题的尝试与应用，目前国内外已经基本掌握了应用3D打印技术打印简易房屋结构以及构件拼装的技术手段，但未来还需进一步关注对3D打印建筑物结构安全性以及耐久性问题的研究，以促进3D打印技术在建筑行业中的进一步应用与发展。
参考文献：
[1]肖绪文，田伟，苗冬梅等.3D打印技术在建筑领域的应用[J].施工技术，2015，44（10）：79-83.
[2]王丽萍，徐蓉，苗冬梅等.苏州某试验楼项目3D打印实体建筑施工技术研究[J].施工技术，2015，44（10）：89-91，100.
[3]丁烈云，徐捷，覃亚伟等.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，（3）：1-10.
[4]蒋佳宁，高育欣，吴雄等.混凝土3D 打印技术研究现状探讨与分析[J].混凝土，2015，（5）：62-65.
[5]蔺喜强，张涛，霍亮等.水泥基建筑3D打印材料的关键技术及应用研究[C].//第六届全国特种混凝土技术（高性能混凝土专题）交流会暨中国土木工程学会混凝土质量专业委员会2015年年会论文集.2015：390-396.
关键词：建筑行业 3D打印技术 影响
近年来，3D打印技术在社会范围内的各个行业与领域中都呈现出了非常快速的发展与进步，并逐步发展成为了现代模型、模具、零部件制造中最为高效的手段之一。已有大量研究中证实，通过对3D打印技术的合理应用，能够以较高的效率、较低的成本完成对关键部件乃至实物整体的制造与生产工作，形成复杂且精致的实物结构与造型。本文即从建筑行业发展角度入手，对3D打印技术的发展问题进行分析与研究。
一、略述3D打印技术
3D打印技术是一种建立在数字模型基础之上，通过对粉末状金属类、塑料类等具有可黏合性能材料的应用，逐层打印并构造整体的一种特殊打印技术。3D打印技术从本质上来说更加倾向于制造过程的特点，借助于对3D打印机械的应用，连续性分层打印并叠加，进而生成现实性的三维实体。作为一种全新的综合性应用技术，3D打印技术的应用实现了信息技术、数字建模技术、机电控制技术、以及材料化学技术等关键学科的综合应用，目前被广泛应用于航空航天、建筑、工业、医疗、服装等多个行业与领域中。从建筑领域的角度上来说，3D打印技术支持下所进行的房屋建造过程是借助于巨型化的三维打印机械设备，以混凝土、水泥砂浆作为基本原料，将3D打印机与计算机程序控制系统相连接，进而在全自动控制条件下将设计蓝图生成实物。与传统建筑施工建造技术相比，将3D打印技术与建筑施工相结合后体现出了以下几个方面的特点与优势：其一是建造速度快。在3D打印技术的支持下，能够快速实现各类单一原材料的融合，形成性能更加优良的复合材料，从而整体建设速度明显提高；其二是施工安全，在3D打印技术支持下，整个建造过程无需大量人工参与其中，从而施工安全风险得到了合理规避与控制；其三是施工成本低廉。由于3D打印建设期间无需使用模板，因此施工成本得到了明显节约，加之对各种废弃副产品的应用效率高，从而还具有绿色环保的特点。
二、3D技术与建筑行业发展
1.3D技术对建筑行业产生的影响。盈创建筑科技有限公司是我国在制造领域3D打印技术应用方面最具成熟经验的企业之一，目前已取得多项全球领先的3D打印技术以及应用突破。2014年5月上海市以特殊油墨材料（包括工业垃圾、建筑垃圾、水泥、玻璃纤维材料等在内），应用3D打印技术工建设形成了10幢3D打印建筑。计算机系统处理下以设计图纸为基本依据，控制1台大型3D打印机通过层层打印的方式形成建筑整体，建筑物墙体构件为中空形式，内部可填充一定保温材料，从而使建筑物结构具有良好的保温性能。在3D打印技术应用过程中，其机械操作与汽车式起重机操作方式基本类似，3D打印机喷嘴连续挤出条状油墨材料，通过层层堆叠的方式形成以墙体。在打印过程中应当攻克的技术难点为：在3D打印技术支持下油墨材料如何在层层堆叠的过程中不发生坍塌。同时，在3D打印机喷嘴挤出第2层油墨材料时，前1层油墨应当进入半凝固状态，在不发生流动的前提下确保2层黏合关系的紧密。2015年1月，我国成功打印迄今为止世界范围内高度最高的3D打印建筑，层高为5层，所有建造过程均经由3D打印技术实现。由于该建筑整体高度高，因此在建造过程中为了能够有效对抗地震荷载以及风力荷载作用力，在3D打印过程中于墙体内增加钢筋，同时对空心墙墙体进行了灌实处理，取得了结构可靠与稳定性的制造效果。
美国自2012年开始通过成功研发基于轮廓工艺3D打印技术的方式成功将3D打印技术与建筑工程相结合，依赖于对轮廓工艺的应用，可以在1天时间内完成总面积在230平方米左右2层层高楼房的建造任务，相较于常规工艺技术下的建筑时间以及建筑成本而言更具优势。3D打印技术领域中的轮廓工艺从外形上来看类似于桥式起重机，悬停在建筑物上，两侧为轨道，中间横梁部位为打印头。在打印操作过程中，横梁打印头可以沿上行、下行、前行、后行方向移动，完成坐标体系中横纵向坐标的打印工作，逐层完成对房屋建筑的打印任务。现阶段，基于轮廓工艺的3D打印技术可以以水泥混凝土作为基本原料，根据设计图设计方案，经3D打印机喷嘴喷射高性能且高密度混凝土原料，逐层打印隔间以及墙体，然后借助于机械式手臂完成房屋建筑的整体构架，整个操作过程可完全由计算机程序控制实现。在3D打印过程中，打印头可根据计算机控制程序所发出的相关指令，以类似于挤牙膏的方式在制定位置喷射出半流体形态水泥混凝土原料，然后自动弹出喷嘴上附带的泥铲，对所喷射混凝土原料的形状进行规整处理。
意大利同样自2012年开始尝试将3D打印技术与建筑领域相结合，并成功研发了可以适用于大规模、大型建筑物的3D打印机械，该专用机械外部结构类似于铝桁架结构，中部为打印头，结构质量小巧，运用灵活，可在实际使用中对3D打印机进行拆卸、组装、或运输。目前，应用该机械已经可以成功打印出高度在4米左右的建筑物，在打印头底部分布有大量的喷嘴，经由喷嘴喷射出镁质黏合物质，然后在镁质黏合物质上通过喷射砂石原料的方式铸成石质固体，从而满足墙体结构稳定性以及可靠性的要求。在该3D打印机正常运行过程中，打印喷头打印每层时厚度仅在5.0mm～10.0mm内，打印速度相对缓慢，但经打印制成的建筑结构整体质地可靠程度高，类似于大理石材料，相较于混凝土原料下的建筑结构而言性能更加可靠与稳定。近年来也有研究人员开始尝试在建筑結构中他通过增设钢筋的方式，以提高结构可靠性以及整体性性能。
2.建筑行业的发展。在促进建筑领域对3D打印技术的进一步应用与发展中，可遵循以下两条基本思路：第一是探索应用3D打印技术实现建筑实体全尺寸打印的技术方案，即和目前一样在搅拌站内将3D打印所需的混凝土或砂浆运到施工现场，经过巨型3D打印机将建筑物一层一层打印出来，其限制很明显，机器越大则越难制造，更重要的是机器越大，打印精度和打印速度就会越差，所以需要解决材料，控制，精度等基本问题；第二是探索实现3D打印机器人群组式集合打印的技术方案。即制造大量小型群组式机器人，同步实现对各个部位建筑实体的打印工作，克服3D打印机器人在尺寸方面的限制，并促进其发展经验的进步完善。
三、结语
从当前的社会发展角度上来看，已有部分创新型公司开始探索3D打印技术与建筑建造施工结合问题的尝试与应用，目前国内外已经基本掌握了应用3D打印技术打印简易房屋结构以及构件拼装的技术手段，但未来还需进一步关注对3D打印建筑物结构安全性以及耐久性问题的研究，以促进3D打印技术在建筑行业中的进一步应用与发展。
参考文献：
[1]肖绪文，田伟，苗冬梅等.3D打印技术在建筑领域的应用[J].施工技术，2015，44（10）：79-83.
[2]王丽萍，徐蓉，苗冬梅等.苏州某试验楼项目3D打印实体建筑施工技术研究[J].施工技术，2015，44（10）：89-91，100.
[3]丁烈云，徐捷，覃亚伟等.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，（3）：1-10.
[4]蒋佳宁，高育欣，吴雄等.混凝土3D 打印技术研究现状探讨与分析[J].混凝土，2015，（5）：62-65.
[5]蔺喜强，张涛，霍亮等.水泥基建筑3D打印材料的关键技术及应用研究[C].//第六届全国特种混凝土技术（高性能混凝土专题）交流会暨中国土木工程学会混凝土质量专业委员会2015年年会论文集.2015：390-396.