吳鴻森

（黑龍江科技大學，黑龍江 哈爾濱 150022）

當前我國整體經(jīng)濟發(fā)展處于持續(xù)提升的過程中，隨著物質(zhì)生活水平的不斷提升，人們對建筑的要求也表現(xiàn)出越來越高、越來越具體化的特質(zhì)。就當前建筑行業(yè)的發(fā)展狀態(tài)而言，如果能夠有效應用一種全新、可以嚴格控制材料用量的生產(chǎn)技術(shù)，無疑會大幅節(jié)約建筑工程建設(shè)所需要的資源，幫助建筑行業(yè)實現(xiàn)更加高精尖的發(fā)展。在當前為數(shù)眾多的各類型技術(shù)中，3D打印技術(shù)由于表現(xiàn)出強大的成本控制能力與可操控性，引發(fā)大批科研人員嘗試將其應用在建筑領(lǐng)域中，并取得一些發(fā)展成果。

1 關(guān)于3D打印技術(shù)

1.1 技術(shù)內(nèi)容概述

3D打印技術(shù)的實際操作運行基于數(shù)據(jù)模型之上，所應用的材料無論是否金屬質(zhì)地都以粉末為主要形狀特點。在逐層打印技術(shù)的支持下，3D打印技術(shù)實現(xiàn)物體空間形態(tài)的快速構(gòu)造、成型處理，且打印過程具有非常直觀的視覺體驗。當前3D打印技術(shù)的實際應用需要依靠多種類型的模型成型技術(shù)，包括SLA技術(shù)與FDM技術(shù)。

SLA技術(shù)指的是立體固化成型技術(shù)，是一種早期的3D打印技術(shù)，主要依靠液態(tài)的光敏樹脂以及相對應的模具實現(xiàn)3D實物打印，當前SLA技術(shù)在3D打印技術(shù)應用的領(lǐng)域中尚具有一定的普遍性。FDM技術(shù)又被稱為溶積成型技術(shù)，主要生產(chǎn)一些中小型工件，在成本控制及污染程度上表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，且應用的材料大多支持回收處理與循環(huán)利用[1]。當前FDM技術(shù)在應用過程中也表現(xiàn)出一些缺陷，如達不到超高精度要求、制造速度相對較慢等。

1.2 3D打印技術(shù)的主要特征

3D打印技術(shù)本身具備很多優(yōu)點，能最大限度滿足小體積模型的打印處理，因此具有推動社會經(jīng)濟發(fā)展、創(chuàng)造更多經(jīng)濟效益的能力。此外，3D打印技術(shù)本身的強可塑性使它可以滿足很多不同種類的要求，因而也能運用于驗證某種創(chuàng)意或概念的可行性與實用性。在深入分析打印對象相關(guān)各項參數(shù)、調(diào)整設(shè)定并將其輸入到控制軟件之后，即可通過添加相關(guān)材料來制作3D模型，在實際制作過程中還能結(jié)合模型表現(xiàn)出的各項特質(zhì)進行更深層次的優(yōu)化處理，方便后續(xù)批量生產(chǎn)工作的進行。

3D打印設(shè)備同樣可以與各類型電腦軟件相互配合來實現(xiàn)不同的打印功能。當前我國在網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)上已經(jīng)獲得重大突破，這也在一定程度上提升了3D打印技術(shù)的安全性與穩(wěn)定性，使該技術(shù)幾乎滿足不同工作人員的工作需求，進一步擴大3D打印技術(shù)的應用范圍。

2 3D打印技術(shù)的優(yōu)勢

3D打印技術(shù)之所以得到大力研發(fā)與推廣，主要是因為該技術(shù)本身表現(xiàn)出的各類型優(yōu)勢，在建筑領(lǐng)域，這種優(yōu)勢主要體現(xiàn)在縮短工期保障安全、控制建材消耗、成本低廉三方面。

（1）縮短工期保障安全：建設(shè)工程的安全性問題往往是一個需要直面面對、難度系數(shù)極大的問題。傳統(tǒng)建筑工程多以人力為主要執(zhí)行單位，在3D打印技術(shù)被應用到建筑領(lǐng)域之后，僅需通過少量人員操作設(shè)備、及時給料即可完成工程作業(yè)，人員直接參與到工程建設(shè)中的情況與需求大幅縮減，因而在很大程度上實現(xiàn)了安全性的提升。在3D打印技術(shù)與BIM技術(shù)相互配合的前提下，前者負責可視化信息模型的建立，后者則負責事物的創(chuàng)造工作，省略了傳統(tǒng)建筑工程中的大量流程[2]。

（2）控制建材消耗：傳統(tǒng)建筑工程需要應用大量的建材，且由于人力操作存在的誤差及局限性，不可避免會產(chǎn)生一些建材廢料及多余建材消耗，工程完成后的建筑垃圾往往得不到有效處理。對于3D打印技術(shù)而言，由計算機與信息技術(shù)實現(xiàn)的高精度生產(chǎn)控制使所有建筑材料物盡其用，極少出現(xiàn)多余材料的情況。而且本身3D打印技術(shù)應用的材料多以回收利用的材料為主，不僅實現(xiàn)了重復利用、就地取材，而且解決了建筑垃圾問題，進而實現(xiàn)保護環(huán)境的目的。

（3）成本低廉：3D打印技術(shù)中應用的材料多以回收利用的材料為主，且省略了傳統(tǒng)建筑工程需要制作材料及構(gòu)件的過程，最大限度實現(xiàn)了成本的控制。另一方面，3D打印技術(shù)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的噪聲十分微小，且不會產(chǎn)生揚塵問題，體現(xiàn)了對生態(tài)環(huán)境的保護作用。

3 3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應用

3.1 在設(shè)計階段的應用

設(shè)計工作是整個建筑工程執(zhí)行的靈魂與重要前提，對工程整體的開展、進行、驗收及后續(xù)使用都會造成深遠影響，因此3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的實際應用首先體現(xiàn)在工程設(shè)計階段，確保工程設(shè)計工作不斷邁向更高端的水準與方向，在確保其滿足廣大人民群眾各類型實際需求的同時充分展現(xiàn)出建筑工程的價值。在設(shè)計階段得出相應的設(shè)計圖紙后可縮小其規(guī)模，再應用3D打印技術(shù)檢查工程中不合理的內(nèi)容，并將靈光乍現(xiàn)的創(chuàng)意與想法加入其中，直觀查看這些想法與靈感的可行性，同時在實際施工過程中給予施工人員指導。除此之外，3D打印技術(shù)在建筑設(shè)計工作中的應用還體現(xiàn)在一些特殊設(shè)計內(nèi)容的實現(xiàn)上，例如提前預估工程設(shè)計內(nèi)容，借助直觀視覺感受和查找其中存在的不足，并采取對應的措施彌補缺陷，進一步保障整個建筑工程的質(zhì)量與安全性。

3.2 在實際施工階段的應用

施工階段是將建筑從概念落實到實物的關(guān)鍵階段，是建筑工程具體的執(zhí)行期。3D打印技術(shù)在工程施工階段的應用要充分重視客觀影響的處理與主觀訴求的滿足。傳統(tǒng)建筑工程單位往往需要面臨財力、材料、監(jiān)理、業(yè)主、工期、設(shè)備、執(zhí)行能力、安全管理等多方面的工作內(nèi)容，因此通常會面臨嚴峻的工作壓力，要在有限的工期之內(nèi)保質(zhì)保量完成施工任務(wù)。在建筑工程施工階段運用3D打印技術(shù)，可以根據(jù)材料的供應狀態(tài)及打印設(shè)備的工作效率準確得出工期的確切時長，工作人員只需要保證充足且持續(xù)的供應打印設(shè)備的材料及能源，就能在計劃工期內(nèi)完成工程建設(shè)工作。

除此之外，3D打印技術(shù)在施工階段的應用還體現(xiàn)在材料與輪廓兩方面。此處涉及的材料是指3D打印技術(shù)應用的打印材料，在將3D打印技術(shù)應用到建筑領(lǐng)域中之后，“打印材料”也轉(zhuǎn)換為以各種建筑材料支撐的顆粒物。就當前建筑材料中被廣泛運用的混凝土而言，這種材料本身具有很強的抗壓性能，但抗拉性能的表現(xiàn)不盡如人意?；炷敛牧系拇笠?guī)模應用是在鋼筋出現(xiàn)之后才實現(xiàn)的，其中鋼筋主要負責承受拉力，壓力則由混凝土材料承擔，兩者之間實現(xiàn)了相輔相成的作用。這就將3D打印技術(shù)應用在建筑工程中之后，如果僅采用混凝土作為打印材料，雖然能夠滿足墻柱構(gòu)件的受壓要求，但以梁板為主的受拉構(gòu)件則難以滿足建筑標準。當前采用的建筑3D打印材料多以抗壓性能為主要性能，大多數(shù)沒有表現(xiàn)出應有的抗拉能力，這意味著建筑承受的拉應力如果超出材料的抗拉強度會在材料構(gòu)成的構(gòu)件上產(chǎn)生裂縫，因此當前建筑中以3D打印技術(shù)形成的樓板還需要現(xiàn)場澆筑鋼筋混凝土或采用預制樓板的方式加以解決。

混凝土材料如果沒有鋼筋支持其抗拉性能，一旦拉應力超過其抗拉極限就會導致混凝土構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，并造成構(gòu)件連續(xù)性破壞的情況。由此可見，用于3D打印技術(shù)中的打印材料本身除了抗壓能力之外，還需要具有相應的抗拉能力，從而抑制材料本體干縮產(chǎn)生的裂縫。從結(jié)構(gòu)安全性的角度考慮，為了防止構(gòu)件本身出現(xiàn)脆性破壞，構(gòu)件本身應當具有一定的變形量及支撐時間，以確保構(gòu)件從出現(xiàn)裂縫、產(chǎn)生損壞、結(jié)構(gòu)崩解的過程中留出充足的警示時間。

3D打印技術(shù)下建筑工程的輪廓工藝指的是一種借助計算機按層控制噴嘴，逐步擠出建筑材料的建造技術(shù)。在打印方式上需要首先打印出建筑的整體輪廓，隨后在輪廓內(nèi)部填充來完成建筑的建造工作。這就意味著打印設(shè)備需安裝在相應龍門架的橫梁上，龍門架則鋪設(shè)在對應的導軌上，以龍門架的前后移動代替打印設(shè)備的前后移動，打印設(shè)備的左右移動則通過龍門架的橫梁實現(xiàn)。在這種情況下，打印設(shè)備通過一個可上下移動的噴嘴擠出半流體狀態(tài)的混凝土，將程序中設(shè)計好的3D立體模型載入打印系統(tǒng)，之后打印設(shè)備根據(jù)模型的參數(shù)勾勒出建筑整體輪廓，并借助設(shè)備配置的泥刀調(diào)整混凝土形狀，隨后逐步逐層增加建筑墻體，門窗的位置則會根據(jù)模型參數(shù)內(nèi)容自動預留，其效果圖如圖1所示。這樣一來施工所需時間被大幅縮短，如果以打印速率為3min/m2墻體來計算，完成一棟兩層小型建筑的時間大概只需要20h左右。

圖1 3D打印技術(shù)應用的概念

4 結(jié)語

綜上所述，本文詳細介紹與分析了3D打印技術(shù)以及該技術(shù)在建筑領(lǐng)域中的應用，可以看出3D打印技術(shù)為建筑行業(yè)的發(fā)展描繪了美好的前景，同時也為建筑工程科技化水平的提升帶來了全新的機遇與挑戰(zhàn)。因此應當強化3D打印技術(shù)在建筑工程中的研發(fā)力度，推動其在建筑行業(yè)內(nèi)得到廣泛應用，進而作用于我國建筑領(lǐng)域的新發(fā)展。