3D打印——建筑篇之優(yōu)缺點與應(yīng)用前景

3D打印的優(yōu)缺點

3D打印不僅是一種全新的建筑方式，更可能是一種顛覆傳統(tǒng)的建筑模式。與傳統(tǒng)建筑技術(shù)相比，3D打印建筑的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面：更快的打印速度，更高的建筑效率；不再需要使用模板，可以大幅節(jié)約成本；更加綠色環(huán)保，減少建筑垃圾和建筑粉塵，降低噪聲污染；減少建筑工人的使用，降低工人的勞動強(qiáng)度；節(jié)省建筑材料的同時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)還可以根據(jù)需求運(yùn)用聲學(xué)、力學(xué)等原理做到*化；可以給建筑設(shè)計師更廣闊的設(shè)計空間，突破現(xiàn)行的設(shè)計理念，設(shè)計打印出傳統(tǒng)建筑技術(shù)無法完成的復(fù)雜形狀的建筑。

3D打印建筑的優(yōu)點歸納起來有以下幾點：

（1）施工工期短，施工過程無污染

當(dāng)前我國的3D打印機(jī)可以在yi天時間內(nèi)完成10幢200 m2的建筑，這是傳統(tǒng)建筑方式所不能達(dá)到的速度。整個“打印”過程，只需要一臺3D打印機(jī)、一臺計算機(jī)、3 人~ 5 人以及打印所需的材料。將圖紙錄入電腦，根據(jù)圖紙以及相關(guān)數(shù)據(jù)，可以快速jing準(zhǔn)的完成建筑墻體、樓板的“打印”。打印所需原料是經(jīng)技術(shù)處理過的牙膏狀的新型混凝土混合材料，建筑3D打印機(jī)的噴頭工作方式與制作蛋糕時的奶油裱花工藝相似，打印材料從噴頭中噴出。這樣簡單的材料，一改日常建筑施工現(xiàn)場塵土飛揚(yáng)、作業(yè)噪聲大的糟糕施工環(huán)境，減少了材料、構(gòu)件的運(yùn)輸。在建筑領(lǐng)域guang泛的運(yùn)用3D打印技術(shù)，可將建筑能耗從70%降至30%。施工過程經(jīng)濟(jì)環(huán)保，傳統(tǒng)建造工藝在此方面只能是*。

（2）材料環(huán)保，成本低

從綜合媒體對3D打印建筑的報道得知，3D打印所需的材料是回收可利用的建筑垃圾，將其處理、加工、分離后，再與高強(qiáng)混凝土以一定比例相配合而形成3D打印建筑的材料。與傳統(tǒng)的人工砌筑相比，3D打印建筑避免了因尺寸差別而進(jìn)行材料切割所造成的浪費(fèi)。一次成型，避免返工。這些優(yōu)點在如今提倡節(jié)能減排，綠色低碳的可持續(xù)發(fā)展的社會環(huán)境中是值得提倡和發(fā)展的。3D打印的建造模式極大的減少了人工成本、運(yùn)輸成本、管理成本等，較傳統(tǒng)建筑方式相比可降低50%。

（3）墻體自重輕

3D打印建筑所打印出來的墻體是空心的，為保證其結(jié)構(gòu)支撐性能在中間添加“z”形支撐(見圖2.8) 。中間可添加泡沫材料以達(dá)到保溫隔熱、降噪吸聲的目的。相比鋼筋混凝土實心墻體，3D打印建筑的墻體要輕許多。

（4）提高質(zhì)量

D打印的產(chǎn)品是無縫銜接的，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)建筑。據(jù)測算3D打印建筑結(jié)構(gòu)的zui高強(qiáng)度能達(dá)到10000PSI (約合69.0MPa) ，而傳統(tǒng)人工建成的建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一般只有3000PSI(約合20.7MPa) 。3D打印機(jī)可*聽從電腦程序，順序打印完一層自動爬上另一層，比人工建造更加，保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性; 同時會依據(jù)的計算及堅固的材料確保房屋質(zhì)量。住宅產(chǎn)業(yè)化較傳統(tǒng)建造方式在房屋質(zhì)量方面已經(jīng)有了提高，改善了房屋滲漏、開裂等一些問題，引進(jìn)3D打印技術(shù)后會更進(jìn)一步提高住宅的質(zhì)量。   

（5）有利于環(huán)境保護(hù)

相比其他傳統(tǒng)的建筑工藝，3D打印建筑技術(shù)更加環(huán)保。例如建造觀景房過程中不再需要將水泥和木材運(yùn)輸至建筑工地，每一個設(shè)計只需要少量的原材料，因此使用原材料減少從而減少了浪費(fèi)，并且suo有材料都可以熔化回收利用。甚至可以用3D打印機(jī)打印太陽能電池板直接鋪于房屋外層。因此，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于住宅產(chǎn)業(yè)化將更加有利于環(huán)境保護(hù)。

（6）降低施工作業(yè)危險性

用3D打印技術(shù)建造房屋將比現(xiàn)在的建筑技術(shù)更加安全，降低了施工現(xiàn)場高空墜落、坍塌、物體打擊的事故。美國每年因為施工現(xiàn)場作業(yè)導(dǎo)致數(shù)萬建筑工人受傷、數(shù)千名建筑工人死亡，使用3D打印機(jī)技術(shù)建造房屋將會降低施工作業(yè)的危險，使工人工作環(huán)境更加安全。

（7）建造出復(fù)雜、特殊、個性化的建筑產(chǎn)品3D打印技術(shù)打印

越復(fù)雜的東西越能凸顯出它的競爭優(yōu)勢，在建筑領(lǐng)域，當(dāng)建筑師的一些奇思妙想的設(shè)計方案用傳統(tǒng)的建筑方式無法完成時，3D打印可以將其設(shè)計想法變成現(xiàn)實。無論怎樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計，只要能將其圖紙畫出來，利用3D打印技術(shù)便可一次成型，解決了傳統(tǒng)建造方式無法突破的難題。

（8）快速解決人口居住問題

由于棚戶區(qū)的不斷膨脹，快速的城鎮(zhèn)化，經(jīng)濟(jì)停滯蕭條，高失業(yè)率，貧窮，自然災(zāi)害和社會矛盾等問題將為整個社會帶來嚴(yán)重威脅?？焖俅蛴×畠r的生存空間可能是解決這個社會快速變革所帶來的人口居住問題的部分解決方案。理論上，3D打印的增材制造是替代棚戶區(qū)的解決方案。成本低廉，也無需太多人工，多數(shù)的建造過程由自動化機(jī)器人完成。

3D打印建筑的缺點有：

（1）材料結(jié)構(gòu)性能不確定

目前已經(jīng)問世的3D打印建筑多數(shù)為1 層~2層低矮的建筑，少數(shù)為多層住宅，但材料的耐久性、剛度、強(qiáng)度、承載力極限值等重要指標(biāo)能否滿足建筑行業(yè)內(nèi)的規(guī)范還有待確定。打印出來的建筑能佇立多久、能使用多久仍然是未知數(shù)。3D打印建筑是水平逐層打印，缺少縱向鋼筋，所以打印出來的建筑能承受多dadizhen力荷載的作用也還沒有相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)。

（2）行業(yè)內(nèi)缺少相關(guān)規(guī)范

3D打印技術(shù)的理念提出于20世紀(jì)，在21世紀(jì)得以實現(xiàn)并加速發(fā)展。從時間來看3D打印似乎是經(jīng)歷了很長時間。但3D打印建筑卻是一個全新的領(lǐng)域，建筑行業(yè)內(nèi)還沒有任何相關(guān)的規(guī)范條例。使用年限和房屋產(chǎn)權(quán)等一系列問題都沒有部門的認(rèn)可。

（3）建筑的表面粗糙

3D打印技術(shù)運(yùn)用逐層堆疊的原理。打印層后，需要在等其牙膏狀打印材料固化之后再進(jìn)行下一層打印。通過層間緊密粘結(jié)保持墻體的整體性。也正是因為底層材料固化之后上層材料才可以疊加，導(dǎo)致兩層材料之間不能光滑過度，使得表面粗糙，并且只能形成樣式簡單且單一的條紋。若不進(jìn)行外裝及室內(nèi)裝修，會影響建筑外立面的美觀性。

（4）技術(shù)研發(fā)還不夠成熟

3D打印技術(shù)目前還處于初級階段，制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素之一是3D打印所消耗的材料，因此該技術(shù)成為主流生產(chǎn)建造技術(shù)還需要各方面技術(shù)的提高[12]。另外3D打印耗時也是需要解決的技術(shù)難題之一，通常打印大尺寸零件需要好幾天時間，甚至一個小的螺母也要打印十幾分鐘，所以3D打印技術(shù)目前并不適合大批量的生產(chǎn)，從長遠(yuǎn)來看，3D打印技術(shù)提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵還是打印耗時。同時，目前3D打印只局限于使用一種材料進(jìn)行打印，在結(jié)合多種材料進(jìn)行打印的技術(shù)水平方面還有待提高。同時，使用的電力是在工廠里的10倍，以及還沒有找到在重量強(qiáng)度和耐久性等都很理想的材料。

（5）宏觀規(guī)劃和投入不足

我國在先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展、工業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型等規(guī)劃中對3D打印產(chǎn)業(yè)重視不足，目前我國小規(guī)模企業(yè)普遍沒有足夠的資金進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，阻礙了這些企業(yè)掌握3D打印的核心技術(shù)，故目前將3D打印技術(shù)應(yīng)用于打印建筑還是困難重重。

（6）技術(shù)人才的短缺

3D打印技術(shù)融合了很多學(xué)科專業(yè)知識，要將3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑業(yè)需要培養(yǎng)型人才，而我國目前在這方面還有些欠缺。例如無法購置足夠數(shù)量的設(shè)備，應(yīng)用研究領(lǐng)域也較窄，學(xué)校教學(xué)中缺乏和3D打印技術(shù)相關(guān)課程，政府也缺乏相應(yīng)的宣傳和培訓(xùn)。3D打印建筑特點見表2.2。

表2.2  3D 打印建筑特點

3D打印建筑

生產(chǎn)技術(shù)

基于CAD圖形文件

自動化增材制造

可在現(xiàn)場或工廠整體或分部分打印再拼裝

較容易通過客戶反饋及時修改建筑設(shè)計方案

供應(yīng)鏈

只需從少數(shù)供應(yīng)商處購買3D打印機(jī)及設(shè)計圖形文件，無需團(tuán)隊間的復(fù)雜協(xié)調(diào)，是基于CAD軟件自動化的建造方式

經(jīng)濟(jì)效益

成本較低，但即使形成了規(guī)?；a(chǎn)也不能降低成本

3D打印生產(chǎn)單獨大尺寸構(gòu)件再拼接組裝耗時長，故應(yīng)考慮以整體單元進(jìn)行建造

社會效益

現(xiàn)場勞動力成本接近于0

住宅強(qiáng)度大幅增加，但材料的強(qiáng)度，穩(wěn)定，顏色穩(wěn)定性等仍待評估

施工現(xiàn)場幾乎不存在施工安全問題

環(huán)境效益

可實現(xiàn)材料的反復(fù)利用，建筑垃圾的重新利用

（7）材料的凝固硬化。

材料的凝固硬化速度是打印建筑中一個不可避免的問題。材料的凝固硬化速度一般受溫度的影響。在春夏秋季，如果溫度在14～28℃的范圍內(nèi)，那么不需要特殊處理就能正常固化。若溫度較低，介于5～14℃，則需要采用加速固化配比的方式保證材料的凝固硬化；若溫度較高，介于28～38℃的范圍內(nèi)，則需要延緩材料的凝固硬化時間以達(dá)到正常工藝的要求；若在北方嚴(yán)寒天氣，或冬季施工，在零下的溫度下時，材料的使用則需要配備嚴(yán)謹(jǐn)?shù)哪逃不桨敢赃_(dá)到施工的質(zhì)量要求。

3D打印建筑的應(yīng)用前景

（1）抗震建筑

在地震發(fā)生時，墻體和梁柱倒塌，將逃生人員壓在厚重的混凝土樓板下無法逃生，這是造成地震時人員傷亡的主要原因。在地震多發(fā)的鄰國日本，除在建筑基礎(chǔ)部分增加橡膠隔震支座外，還運(yùn)用了輕質(zhì)墻體，減輕墻體自重，降低逃生時被建筑構(gòu)件砸傷。3D打印建筑的空心墻體，大大減輕了墻體自重，在地震多發(fā)地區(qū)有g(shù)uang泛的應(yīng)用前景。雖然在現(xiàn)階段抵抗地震力作用較有效的措施是采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而3D打印建筑的抗震性能尚不明確。但是隨著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展和試驗研究不斷改進(jìn)與完善，如何在3D打印建筑中增加豎直鋼筋，提高建筑的抗震性能的問題也會迎刃而解。

（2）高層建筑

目前3D打印建筑的高度也僅局限于1 層～2層的小型建筑，如何提高3D打印機(jī)的高度、如何泵送打印材料是限制建筑打印高度的主要因素。如果解決了打印材料的垂直運(yùn)輸?shù)膯栴}，3D打印技術(shù)也可在高層建筑作業(yè)中發(fā)揮其優(yōu)勢，可以減少高空作業(yè)的工作人員，減少高空作業(yè)量，增強(qiáng)了施工過程中的安全系數(shù)。將3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)建筑施工方式相結(jié)合，把一些建筑構(gòu)件利用3D打印技術(shù)“打印”出來，在傳統(tǒng)施工現(xiàn)場進(jìn)行拼接安裝，既可保證建筑主體結(jié)合的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、抗震性等綜合性能，也可縮短工期，加快施工進(jìn)度。

（3）非線性建筑

3D打印建筑是一種精細(xì)化數(shù)控操作的結(jié)果，其精細(xì)化程度也在逐步提高。這樣*的jing準(zhǔn)性可以將非線性建筑“打印”的更加細(xì)致，將連續(xù)流動狀的形體表現(xiàn)的更加真實。彌補(bǔ)了因施工工藝導(dǎo)致實體建筑與效果圖的差距。使得一些通過傳統(tǒng)工藝無法實施的設(shè)計方案更加的表現(xiàn)出來。

（4）室內(nèi)裝飾

國內(nèi)現(xiàn)已建成的3D打印建筑的表面粗糙，樣式單一。但在英國的3D打印研究試驗中，3D打印技術(shù)不僅能打印出毛坯房屋，還可以打印出精細(xì)的室內(nèi)裝飾雕刻。隨著國內(nèi)3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，將3D打印技術(shù)運(yùn)用于室內(nèi)裝飾裝修，并與建筑設(shè)計一體化完成，將增強(qiáng)建筑的整體美感和統(tǒng)一性。