【解析】3D打印技术在建筑模型制作中的应用研究

作者：王韦
随着科技水平的不断发展和进步，一种新型的计算机图形分析和数据化控制制造技术——3D打印技术应运而生，它是近年来发展起来的一种新兴技术，已在机械、制造、医疗等行业有所发展，而在建筑行业的应用更是有着广泛的作用，为建筑师设计和建造动态、复杂的形式提供了强大的技术手段，对建筑 业设计产生颠覆性影响。本文结合3D打印技术的国内外研究现状及发展趋势、在建筑设计模型应用中的优劣势，以及如何应用等问题展开研究讨论，以其促进3D打印技术在建筑设计模型方面的真正实践和运用。

3D打印即快速形成技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础的，可以运用多种材料，例如粉末状金属或者塑料或者水泥等可粘合材料，利用通层打印方法来构造物体的技术。


1986年，美国加州的工程师查克•赫尔研制出第一台3D打印机，3D打印带来许多行业的革命性改变，并影响到建筑业。在以前生产的部件，其精度取决于生产设备是否先进、以及现在生产工艺能够实现。3D打印机将改变这一观点，使企业不在依赖生产设备、工艺的水平，任何精度的零件、形状都可以通过3D打印机来实现。

一、3D打印技术的简介和应用
从30年前研究3D打印技术以来，科技水平的不断提高，边缘技术的完善，时代变迁和发展，这项技术也越来越受到关注，那么究竟什么是3D打印技术呢？3D打印技术是将CAD、CAM、CNC、精密伺服驱动、光电子和新材料等先进技术集于一体，依据由CAD、PRO/E等软件构造的产品三维模型对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。按照这些轮廓，激光束选择性地喷射，固化一层层液态树脂（或金属粉末）或喷射源选择性地喷涂一层层的粘结剂或热熔材料等，形成各面，逐步叠加成三维实体，它将一个复杂的三维加工简化成一系列二维加工的组合。它也被称为增材制造技术。是美国第三次工业技术革命的产物，是一种制造技术。传统的制造技术需要将制造材料放在固定的容器中进行浇筑，然后生产产品。而3D打印则是以数字模型文件为基础运用塑料、金属等粉末状的可粘合材料，经过逐层打印构造而成。

一般分为三步来进行：其一是要有设计好的模型，在计算机相应的位置输入设计数据。其二是运用计算机对设计的3D数据模型进行扫描和识别，在指令的操作之下，形成许多个单层图像。最后一步是根据第二步中出现的多个单层图像，按照指令将每一层的材料叠加上去，形成立体和现实的物品。运用3D打印技术进行建筑模型设计时不仅可以减少制造的时间，同时也能降低成本，无论其需要涉及的构造是否复杂，3D打印的设计都可以较快的设计出来。由此可见，3D打印技术具有很大的发展潜力。
        3D打印技术的应用范围非常广泛。建筑设计、产品设计、机械制造、模具制造等都有普遍的应用，并且取得了较好的效果。随着3D打印技术的不断发展，它将在更多方面发挥着重要的作用。3D打印技术现在比较重要的应用领域是产品设计和建筑设计，产品设计方面，3D打印技术提供了一种新的产品开发模式。在建筑设计领域的应用，3D打印技术主要是运用在大型建筑的主体设计层面，通过这项技术帮助设计出建筑师最初的想法，完美的还原建筑。通过3D打印技术设计的建筑模型不仅逼真，而且有利于成本的降低，节省人力和物力。

二、3D打印在建筑设计模型应用中的优劣势
1、打印复杂结构的模型
在3D打印技术可以打印食品、玩具、汽车的今天，它还在创造无限的可能。 首先3D打印技术可以加工传统方法难以制造的零件。过去传统的制造方法就是一个毛坯，把不需要的地方切除掉，或者采用模具，把金属和塑料融化灌进去得到这样的零件，这样对复杂的零部件来说加工起来非常困难。而3D打印技术可以打印非常复杂的零件。

2、3D打印建筑节约时间
时间就是金钱，效率就是生命，科技的进步正是提高效率的有效方法，3D打印技术进行建筑设计模型的应用时，可以直接将建筑模型进行多种层面的操作，元素自动生成，无需在进行浪费时间的复制工作，这样可以使设计团队的成员直接进行意念上的合作与对接。建筑的精髓在于设计，那么施工如果能做到完美。一栋几十层高的楼，普通施工，大概需要半年至一年才能施工完毕。而当前3D打印机可在24小时内打印10栋200平方米的建筑。

3、3D打印建筑材料强度高
3D打印建筑的墙体与传统建筑的墙体具有很大的不同，3D打印的喷口按照螺纹结构依次打印，最后呈“Z” 字形排列，一层一层的叠加，形成墙体，因此墙体结构是中空的。3D打印出的建筑材料强度高、质量轻，比起传统建筑材料要有很大的优势，因其中空的“Z” 字形结构，产生一种三角形的稳定支撑，从而抗震效果也会更好。

4、3D打印建筑更加环保，绿色
相比于传统制造业的浪费资源，破坏环境，新兴的3D打印技术可以完全避免这些问题，因为这种技术是直接按照电脑的设计进行打印操作的，3D打印的材料来自于建筑垃圾、工业垃圾等，废物利用，通过一些技术手段进行加工分离，产生了类似与普通打印机的“油墨”,过程中因为没有沙子、石子、水泥等材料的运输，从而不会产生扬尘，污染环境。并且不需要切割，一次成型。


除了上述的优点之外，3D打印建筑模型也存在着一些不足和需要改进之处，主要有以下几个方面：

1、3D打印技术不够成熟
据统计，3D打印机生产的产品中80%依旧是产品原型，仅有20%是最终产品。自3D打印机技术在80年代产生以来，经过数十年的发展，在21世纪初已取得不小的进步，比如材料增多、打印机和原材料价格逐渐下降，但是目前来看，这依旧是一项年轻的技术，在没有变得更加成熟和廉价前，并不会被企业大规模采用。

2、3D打印技术没有行业标准
目前3D打印建筑仍处在研究探索阶段，。但是在建筑行业需要一个标准，通过这个标准才能全面的推广起来。例如根据现行的标准，没有钢筋就不能验收，但3D打印建筑可以不需要钢筋，因此行业标准很重要。


3、3D打印材料选择问题
3D打印在建筑新材料是一种建筑工艺上的开拓，不过3D打印房屋要想真正普及，恐怕还需斟酌。比如3D打印的“油墨”主要是由建筑废料做材料，高标号水泥和玻璃纤维等构成。而据了解，某些国家禁止建筑大量使用玻璃纤维，因为玻璃纤维对人体的呼吸系统有影响。所以，材料也需要慎重选择。3D打印建筑材料需要有流动性，同时还需要考虑到温度因素，若流动性大，则打印过程中材料无法堆叠，流动性小，则容易堵塞打印头。


4、3D打印机的精度问题
3D打印技术类似于挤牙膏，采用的是逐层堆叠。第一层打印完成后，必须等第一层打印材料凝固硬化后再进行上一层打印，通过层与层之间的紧密粘结来保持墙体的整体性。精度越高则厚度越薄，精度不够导致层与层之间不够光滑，表面粗糙，并且条纹样式也很单一。


三、 发展与展望
3D打印建筑技术会对环保、建筑业、混凝土等行业带来改变。现行我国的水泥行业还是粗犷性发展，浪费资源污染环境，势必进行改变，走可持续发展道路。3D打印建筑技术不仅可以更有效地利用混凝土材料，以及其他一些废料，精细化生产，而且更能够大幅度提高建筑物结构强度，此举无疑又大大减少了建筑垃圾的产生，不浪费，不污染环境。因此，研究探讨出符合需求的新时期商品混凝土是十分必要的。

      

首先，商品混凝土的原材料将会变得更加广泛，材料最核心的要求是上一层打出来以后，下一层不能变形，不能坍塌， 比如胶凝材料可能采用特种水泥、树脂、镁质胶凝材料等，以满足3D打印的需要，并且还有可能会生产出新的完全不同于现在的材料；外加剂也可能会从根本上发生改变，因为不能以现在的混凝土标准来衡量。
        
其次，在配合比设计方面，可能还需要有新的理论来支持。因为3D打印所需要的混凝土已经不同于传统的混凝土，混凝土各项性能发生了巨大变化，不是简单的水灰比、砂率等所能决定的了，其硬化、收缩性能发生根本性改变，目前的混凝土强度理论、耐久性能理论、水化作用理论等均不能适应要求。为获得更高的强度，更好的耐久性，更完美的拌合物性能，更快的硬化速度和性能，需要从新的角度去发现理论，新的配合比设计方法，建立新的计算模型，以及硬化理论模型、服役寿命预测模型等。
        
可以预见在今后很长一段时间内3D打印仍然将被人们广泛关注。由于看好3D打印技术所表现出来的广阔的应用前景，许多国家纷纷出台本国的3D打印发展规划，布局3D打印产业。3D打印技术在建筑领域的应用研究刚刚开始，还存在许多亟待解决的问题，比如适合3D打印的建筑材料的研究，是仍然使用混凝土还是开发其他种类的建筑材料，如果使用混凝土，混凝土的工作性能、耐久性能则需要进行专门的设计和评估。3D打印建筑还有很长的路要走，但是毋庸置疑的是，3D打印建筑一定会成为未来世界的新标杆。