3D打印技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用探究

摘 要：3D打印技術(shù)的運(yùn)用越來越廣泛，近年來受到各個(gè)相關(guān)行業(yè)的關(guān)注，這一新技術(shù)在建筑工程建中更是得到了突破性的應(yīng)用，本文主要講述3D打印技術(shù)在建筑工程建設(shè)中的發(fā)展及應(yīng)用，探索如何利用3D打印技術(shù)改善傳統(tǒng)建筑的方式和方法。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù) 應(yīng)用 建筑施工技術(shù)

3D打印技術(shù)是近年來新興的一種技術(shù)，自問世以來就得到了廣泛的關(guān)注，應(yīng)用跨越各個(gè)領(lǐng)域。在建筑領(lǐng)域，它更是以簡(jiǎn)捷方便的操作方式吸引了不少建筑人在這方面的研究，而在高校之中卻還沒得到相應(yīng)的關(guān)注，高校作為培養(yǎng)人才的場(chǎng)所，是改革創(chuàng)新的主要力量，應(yīng)該高度重視科技的發(fā)展，3D打印技術(shù)作為一種新型的科技，它具備著在建筑方面的巨大潛力，并且已經(jīng)在建筑方面得到不少的研究成果。本文主要對(duì)3D打印技術(shù)在建筑工程建設(shè)中所起到的應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行研究和探討。

1、3D打印技術(shù)的發(fā)展

3D打印技術(shù)最早起源與美國(guó)，80年代后期，3D打印技術(shù)有了根本性的發(fā)展，1988年發(fā)明了分成實(shí)體制造，1989年發(fā)明了粉末激光燒結(jié)技術(shù)，1992年發(fā)明了熔融沉積制造技術(shù)，1993年在麻省理工大學(xué)發(fā)明了3D打印技術(shù)。1994年德國(guó)公司EOS推出了EOSINT選擇性激光燒結(jié)設(shè)備，1996年，3DSystems公司使用噴墨打印技術(shù)制造出其第一臺(tái)3D打印機(jī)――Actua2100；近年來出現(xiàn)的新型打印機(jī)包括壓電噴墨式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、電流體動(dòng)力噴式和混合式等5種3D打印機(jī)，而現(xiàn)在正在發(fā)展的大眾化3D打印機(jī)包括工程設(shè)計(jì)用、簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)用、學(xué)生學(xué)習(xí)用和家用等4種3D打印機(jī)。

2、3D打印技術(shù)原理

3D打印技術(shù)也稱三維打印技術(shù)或快速成型技術(shù)，就是在普通的二維打印的基礎(chǔ)上再加一維，使其最終形成一個(gè)三維物體，它工作原理是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，即需要先在計(jì)算機(jī)上建模，運(yùn)用特殊蠟材、粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過將一層層地粘合材料打印制造三維的物體的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)這種成型的設(shè)備稱為3D打印機(jī)。成型的方法方式也多種多樣，傳統(tǒng)的有噴墨粘粉式（3DP）和熔融擠壓式（FDM），近年來出現(xiàn)的新型打印機(jī)包括壓電噴墨式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、電流體動(dòng)力噴式和混合式等，但是無論何種成型法，都是采取原料加層方法形成3D物體，這種打印實(shí)體的方式比傳統(tǒng)的技術(shù)要更加方便快捷，綠色節(jié)能。

3、3D打印在建筑工程建設(shè)中的應(yīng)用

3.1 3D打印技術(shù)對(duì)建筑模型的初步應(yīng)用

3D打印技術(shù)的應(yīng)用極其廣泛，在各種領(lǐng)域都有所涉及，特別在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用在未來有取代傳統(tǒng)建筑法之勢(shì)。現(xiàn)階段出于人們對(duì)建筑住房的要求越來越高，設(shè)計(jì)師們對(duì)建筑的設(shè)計(jì)不得不更加復(fù)雜化，目前傳統(tǒng)的制作模型方法已經(jīng)不足以滿足人們的要求了，所以現(xiàn)在3D打印機(jī)是建筑設(shè)計(jì)師們必不可少的工具。

早在1986年，全球第一臺(tái)3D打印機(jī)就在這個(gè)世界誕生了，并且在同一年打印出了簡(jiǎn)單的三維建筑模型。如今當(dāng)你看見了一個(gè)完整的建筑模型被打印出來不用太驚訝，現(xiàn)在只要我們把建筑物的立體數(shù)據(jù)輸入電腦，按打印鍵，3D打印機(jī)機(jī)會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)打印出立體實(shí)物。幾年前，美國(guó)一位對(duì)3D打印技術(shù)極其的熟練而且對(duì)打印建筑物的速度能夠很好控制的并且設(shè)計(jì)建筑方面有著極其豐富經(jīng)驗(yàn)的建筑行業(yè)專家Rietveld architects的一項(xiàng)研究成果。自從2008他擁有屬于自己的3D打印機(jī)開始，他就不再使用紙張、紙板之類的去構(gòu)思畫圖，而是使用3D打印機(jī)去試驗(yàn)各種建筑小模型并且嘗試實(shí)體建筑物，并且能夠從里面學(xué)習(xí)到很多東西，不斷的進(jìn)行著改進(jìn)。自從他們明白了將3D打印技術(shù)使用度達(dá)到最大，他們就改掉了之前的打印方法，從而改進(jìn)打印制作模型的技術(shù)。后來他們發(fā)現(xiàn)用3D打印技術(shù)的打印速度也非常重要，并且他們找到了能夠快速形成模型的軟件。經(jīng)過這些重重改良之后，他們認(rèn)為打印的效率和質(zhì)量要擺在首位，他們白天的時(shí)候在軟件上設(shè)計(jì)建筑藍(lán)圖，在晚上進(jìn)行打印，這樣晚上可以通宵打印他們的模型，到第二天早上建筑模型已經(jīng)被打印出來了。

3.2 3D打印實(shí)體建筑物在各國(guó)逐步出現(xiàn)

在美國(guó)，LGM公司就是利用噴墨粘粉式三維大打印機(jī)，通過在高性能石膏粉上選擇性的噴射黏結(jié)劑來為客戶制作建筑模型。在英國(guó)，建筑師查理·布斯維爾曾致力于建造一臺(tái)4m×5m的的三維打印機(jī)，用于打印陶瓷、水泥、石膏、黏土、石灰、聚合物和金屬材料，構(gòu)成建筑物。例如，精確的打印出混合多種材料的的墻體，不必分別進(jìn)行單獨(dú)加工，墻體上能預(yù)留用于制作門窗的口子，也能將墻體打印出蜂窩結(jié)構(gòu)，用于隔熱保暖，還能預(yù)留布置電線和管道的通路。

我國(guó)3D打印技術(shù)的應(yīng)用也十分廣泛，無論是在建筑行業(yè)還是其他各個(gè)行業(yè)都得到了相當(dāng)大的進(jìn)步和發(fā)展。在上海，我國(guó)成功的在上海張江高新青浦園區(qū)內(nèi)利用3D打印機(jī)打印出10棟建筑物，這些打印出來的建筑墻體主要利用建筑垃圾制成的特殊“油墨”然后按照計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）設(shè)計(jì)的圖紙和方案，經(jīng)過一臺(tái)大型的3D打印機(jī)層層疊加噴繪而形成，然而令我們更吃驚的是，10棟小屋的建筑過程僅僅花費(fèi)24小時(shí)。

3.3 3D打印技術(shù)打印建筑物實(shí)例

借助一臺(tái)大型的3D打印機(jī)所打印出來的。房子的面積不大，十來個(gè)平方，最高不過兩層，然而特別之處是我們看不到傳統(tǒng)施工方法和材料，現(xiàn)場(chǎng)我們看不到一磚一瓦，墻體是由一層層水泥材料堆疊而成，呈現(xiàn)出年輪蛋糕的結(jié)構(gòu)，這也就是我們3D打印技術(shù)層層打印的原理所噴繪而成的這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)。據(jù)了解，用建筑垃圾制成的“油墨”是一種經(jīng)過特殊玻璃纖維強(qiáng)化處理的混凝土材料，其使用年限和強(qiáng)度都高于鋼筋混凝土。而且由3D打印機(jī)打印出來的空心墻不但能夠很好地減輕了建筑物的自重，還能夠填充一些保溫材料或設(shè)計(jì)墻體結(jié)構(gòu)，一次性解決墻體承重的結(jié)構(gòu)問題。相同的，無論是橋梁、簡(jiǎn)易工房、居民住宅、劇院或者是賓館、其建筑的強(qiáng)度都符合并且高于國(guó)家建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，更讓我們想不到的是，這種“油墨”擠出后很快凝固，保證了打印機(jī)的連續(xù)打印，也即是說如果我們要建一棟25層的住宅樓，只要打好地基，僅需要半個(gè)月即可完成整棟樓的建筑框架，最后安裝好門窗，水管和電線管，最快一個(gè)多月我們便可入住。同時(shí)，使用3D打印建筑，綠色環(huán)保，節(jié)約材料和成本。

4、結(jié)語

在建筑業(yè)里，建筑設(shè)計(jì)師用3D打印機(jī)打印建筑物既快速又低成本、既環(huán)保又精美的方法，還節(jié)省了大量的建筑材料?，F(xiàn)在3D打印技術(shù)打印建筑物這個(gè)領(lǐng)域已被許多國(guó)家應(yīng)用，并且已有人居住在3D打印機(jī)所打印出來的建筑物里。3D打印技術(shù)打印建筑物在未來的22世紀(jì)將會(huì)有可能取代傳統(tǒng)的建筑方法，并且還將會(huì)用3D打印機(jī)直接打印出一整棟樓房，同時(shí)，可以根據(jù)建筑物數(shù)據(jù)一并打印出建筑樓房里面的家具。這樣的3D打印技術(shù)制作簡(jiǎn)單、環(huán)保、又低成本，在將來定會(huì)廣泛地應(yīng)用于全球。

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作者簡(jiǎn)介：黃津麒（1996.02），男，河南開封人，河南大學(xué)土木建筑學(xué)院2014級(jí)本科生，土木工程專業(yè)475000。