《3D列印技術在建築工程領域的應用前景》

科技改變生活，科技提高效率，科技創造價值。隨著科技進步，如今越來越多的新技術、新工藝、新材料被應用到建築工程領域，極大地提高了工程建設的質量和效率。3D列印技術正是科技發展的產物，自打其研製誕生以來，就不斷地吸引人們的眼球，受到各行各業的廣泛關注，列印食物、印表機械零件甚至列印手槍等不一而足。3D列印技術先後進入了牙醫、珠寶、醫療行業，人們希望利用3D列印等先進製造技術快速制產品，藉此提升執行任務的速度並降低成本，3D列印技術未來應用的範圍會越來越廣。如今也有建築工程人員將這項技術應用到建築領域，並取得了一定成效。

一、3D列印技術

（一）3D列印技術的概念。我們都知道文字圖片印表機，它們是平面的二維列印，3D列印就是在普通的二維列印的基礎上再加一維。與普通印表機工作原理基本相同，區別在於只是列印材料有些不同，普通印表機的列印材料是墨水和紙張，而3D印表機內裝有金屬、陶瓷、塑膠、砂以及尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、鍍銀、鍍金、橡膠類材料等不同的“列印材料”，是實實在在的原材料。3D印表機工作時先像普通列印一樣，在一個平面上將塑膠、金屬等粉末狀材料打印出一層，然後再將這些可黏合的列印一層一層的粘起來。透過每一層不同的“圖形”的累積，最後就形成了一個三維物體。就像搭積木一樣，一層一層的累積起來後，就完成了一個設計好的立體的樣子。3D列印技術就是快速成形技術的一種，它運用粉末狀金屬或塑膠等可粘合材料，透過一層又一層的多層列印方式，來構造零物件。模具製造、工業設計常將此技術用於建造模型，現在正向產品製造的方向發展，形成直接數字化製造。

（二）3D列印技術的現實意義。首先，大幅度提高工作效率。根據模型的尺寸以及複雜程度，傳統方法制造出一個模型通常需要數小時到數天，而用三維列印的技術則可以將時間縮短為數個小時，開闢了快速成型的新途徑。其次，降低成本。傳統的製造技術如注塑法可以降低成本大量製造聚合物產品，而三維列印技術則可以以更快、更有彈性以及更低成本的辦法生產數量相對較少的產品。再次，列印的物品逼真。因為3D印表機的解析度對大多數應用來說已經足夠，並且是三維的，所以打印出發產品例如模型十分逼真。今天的3D列印能複製出與原物一模一樣的實物出來。最後，給設計者帶來更多的想象空間。

二、3D列印技術在建築領域的應用

（一）建築設計領域應用

3D列印實際就是快速成型技術的應用，快速成型技術是特種加工技術中具有代表性的一種，它是集數控、機械CAD／CAM技術、鐳射加工、新材料科學等多種新型技術為一體的新技術。由於3D列印成品的可塑性非常強，從二維到三維，3D列印可以精確到600dpi，每層0.01毫米的厚度，幾乎任何複雜的結構都可以輕鬆打印出來，於是許多建築設計師將該技術用於建築與市政佈局模型、工業設計的快速成型。

以往建築設計師製作模型和3D效果圖都是手勾草圖，現在，3D列印提供了一種與傳統的3D效果圖、建築模型等建築造型表現方式不同的、全新的操作模式，它將讓模型作為建築師矯正設計的手段這一初衷獲得新生。整個建築模型製造過程分為三個階段：拍照、建模、列印。這種操作方式比用軟體畫圖、按照圖紙仿形雕刻更精確、更快捷。

（二）建築市場開發應用

1.建設方案初始設計階段。我們知道透過看2D圖想象3D空間確實比較困難，需要有豐富的空間想象力。3D列印模型在這一點不僅非常有用，而且還可以有效傳達想法，根據各方討論意見隨時改變。例如在做城市綜合體、交通綜合體等這種大體量建築群開發初始階段，就需要研究這些綜合體建成後會對周圍的建築和城市空間有何影響。最好的、最有效的做法就是給出模型，用以直觀真實的展現建成後的情景，3D印表機具有這方面的極大優勢。

2.建設提交方案成果階段。建築工程每個設計階段的任務終將形成一個連貫一致的設計，包括方案、成本、準則等所需要求。如果用3D模型完成空間、環境設計，就相當一個縮微版的建築與環境原型再現，必然會得到建設方和公眾的接受，也可避免因為設計者的疏忽造成的失敗建築。

3.專案技術設計和營造階段。隨著建築專案的開展，3D列印模型的輔助設計功能也隨著改變，轉向專案的技術設計和細部處理、風格展現，比如內飾、外飾的材料、風格、空間內部的陳設和裝飾物品，使之更加深化細緻。

4.建設專案成果展示。3D列印模型不僅是設計過程和專案施工過程中所用的工具，也可作最終展示。設想在一間設計公司的展廳內，陳列著這家公司完成的許多專案縮微模型，他們就是窗外真實城市景觀的真實再現，這些模型就能贏得潛在客戶的信任，給設計者帶來新的收益機會。

（三）在建築構件方面的應用。如今有一些建築師將3D列印技術應用於建築構件。起初，建築師採用SLS（選擇性鐳射燒結）3D列印技術按照設計的尺寸分段列印各個節點，然後將其組裝起來。SLS3D列印技術能夠滿足建築所需要的美學和結構方面的需求。

（四）在製造實體建築方面的應用。也就是用3D列印技術來蓋房子。採用的方法是分段列印組裝方式，即建築模組化，在工廠裡每塊列印好，最後一起現場組裝。與建設傳統房屋一樣，列印房子之前首先需要打下地基；接著，印表機根據圖紙列印牆體結構，同時預留“梁”與“柱”澆築的空間；最後，在預留空間置入鋼筋、灌注混凝土，在牆體的中空部分填充保溫材料。這種列印實體建築在中國也有案例，肉眼觀察，這些3D列印房與普通房屋有著明顯的區別：它們的牆體有著類似雕飾的紋路，或橫向或縱向，而整體效果宛如製作奶油蛋糕時擠出的奶油被一層一層堆疊起來。

三、3D列印技術在建築工程領域的應用前景分析

3D列印技術在建築工程領域的應用還有較長的路要走，特別是在實體建築列印方面還面臨諸多挑戰。

首先，列印材料的限制。3D印表機使用的是真實的金屬、陶瓷、塑膠、尼龍玻纖等材料，雖然可以實現塑膠、某些金屬或者陶瓷列印，但列印的材料都是比較昂貴和稀缺的。另外，印表機也還沒有達到成熟的水平，無法支援日常生活中所接觸到的各種各樣的材料。雖然研究者們在一些列印材料上已經取得了一定的進展，但除非這些進展達到成熟並有效，否則材料依然會是3D列印的一大障礙。

其次，印表機器的限制。3D列印技術在重建物體的幾何形狀和機能上已經獲得了一定的水平，幾乎任何靜態的形狀都可以被打印出來，但是那些運動的物體和它們的清晰度就難以實現了。但最基本的困難在於尺寸。2維列印大家都常用，一個最根本的常識就是，輸出尺寸越大，印表機本身就越大，那麼印表機的噴頭活動範圍要能夠覆蓋全幅的輸出尺寸，那麼必然會大一圈。在3維列印領域，這意味著：如果列印住宅則印表機需要比你的住宅大一圈。機器越大越難製造，更重要的是機器越大，列印精度和列印速度就會越差。所以現階段解決3d列印房屋的一些基本問題：材料，控制，精度等。

再次，3D列印建築的安全問題。一方面，3D列印技術能否把房屋的梁體、牆體和柱體做到和傳統行業一樣堅固，還有待檢驗。另一方面，建築的抗震性。現在一般使用超輕的全新材料，列印的房子自重會小於傳統房屋，抗震性也就更好，但如果列印房的自重大於普通房屋，抗震性的問題就值得考慮了。再一方面，建築的耐撞擊性，不管怎樣由於材料的關係，列印的建築的耐撞擊性可能不如傳統房屋。國家尚未對3D列印建築出臺相關標準，這使得3D列印房的安全性、抗震性等效能無法得到檢驗。

因此，短期內，3D列印技術不可能完全替代傳統建築方式。一種較大的可能是新技術與傳統工藝互為補充，在鋼筋混凝土結構的基礎上結合3D列印技術，建造一些科幻建築、概念建築等。但在設計體系、模型製作、鋼筋混凝土很難塑造的個性的效果方面，3D列印卻能發揮不可替代的作用。

提到3D列印，或許沒有前幾年關注度高，但是3D列印技術仍然在時裝、醫療、航空航天、工業製造等領域有著深入的影響，而且這種影響愈發深入。在中國，3D列印起步較晚，同樣3D列印建築起步也晚。3D列印在建築行業的應用，在很多國家都有著實踐，有些是民間自發的實踐，有些是有組織的實踐。

　　在中國，3D列印房屋進入大眾視線當屬騰訊在2014年的關於上海3D列印房屋的一偏報道，當時大眾對3D列印房屋這一新鮮事物感到驚歎不已，時間愈久，這種新鮮感逐漸消退，不過關於3D列印技術在建築行業的應用研究卻沒有停止過。既然談到3D列印建築是否會在未來取代正常房屋這個問題，筆者也沒有明確的答案，下面我們還是來分析一下吧!

　　3D列印技術雖然有所發展，但是在建築行業卻仍然有很長一段路要走，特別是在實體建築列印方面還面臨著諸多的挑戰，下面看看專家學者對3D列印在建築行業的應用侷限性進行的分析。

　　第一、列印材料的限制。3D印表機使用的是真實的金屬、陶瓷、塑膠、尼龍玻纖等材料，雖然可以實現塑膠、某些金屬或者陶瓷列印，但列印的材料都是比較昂貴和稀缺的。另外，印表機也還沒有達到成熟的水平，無法支援日常生活中所接觸到的各種各樣的材料。雖然研究者們在一些列印材料上已經取得了一定的進展，但除非這些進展達到成熟並有效，否則材料依然會是3D列印的一大障礙。

　　第二、印表機器的限制。3D列印技術在重建物體的幾何形狀和機能上已經獲得了一定的水平，幾乎任何靜態的形狀都可以被打印出來，但是那些運動的物體和它們的清晰度就難以實現了。但最基本的困難在於尺寸。2維列印大家都常用，一個最根本的常識就是，輸出尺寸越大，印表機本身就越大，那麼印表機的噴頭活動範圍要能夠覆蓋全幅的輸出尺寸，那麼必然會大一圈。在3維列印領域，這意味著：如果列印住宅則印表機需要比你的住宅大一圈。機器越大越難製造，更重要的是機器越大，列印精度和列印速度就會越差。所以現階段解決3d列印房屋的一些基本問題：材料，控制，精度等。

　　第三、3D列印建築的安全問題。一方面，3D列印技術能否把房屋的梁體、牆體和柱體做到和傳統行業一樣堅固，還有待檢驗。另一方面，建築的抗震性。現在一般使用超輕的全新材料，列印的房子自重會小於傳統房屋，抗震性也就更好，但如果列印房的自重大於普通房屋，抗震性的問題就值得考慮了。再一方面，建築的耐撞擊性，不管怎樣由於材料的關係，列印的建築的耐撞擊性可能不如傳統房屋。國家尚未對3D列印建築出臺相關標準，這使得3D列印房的安全性、抗震性等效能無法得到檢驗。

　　基於此，專家認為3D列印技術不可能完全替代傳統建築方式。一種較大的可能是新技術與傳統工藝互為補充，在鋼筋混凝土結構的基礎上結合3D列印技術，建造一些科幻建築、概念建築等。但在設計體系、模型製作、鋼筋混凝土很難塑造的個性的效果方面，3D列印卻能發揮不可替代的作用。