探討建筑工程與3D打印相結合及應用前景

李念勇（上海海龍良策工程顧問有限公司， 上海 200060）

0 引 言

3D 打印對于我們普通人來說都不陌生，其中文名為三維打印，外文名為 3D Printing（3DP）；國外翻譯過來又稱添加制造技術、增材制造技術和增量制造技術。第一臺3D 打印機是由美國科學家查克·赫爾（Chuck Hull）發明于 1986 年。

何謂 3D 打印，美國科學家給出定義：一種使用直接制造和三維模型技術相結合的三維物理實體模型的加工方法，利用三維 CAD 成型技術對材料進行逐層的加工工藝，包括在生產過程中的快速制造相關聯的打印工藝和材料加工前期快速原型技術。從打印技術的發展來看，2D 打印機的廣泛應用影響到繪畫、書法、攝影甚至傳統印刷；3D 打印在 20 世紀七八十年代開始發展至今已近 30 年，影響到雕塑、模型制作、日常用品生產、工業制造等領域，甚至影響到建筑工程領域。未來3D打印與建筑工程領域緊密的結合，將會給建筑領域帶來顛覆性的變革，賦予人類前所未有的想象。

1 建筑工程與 3D 打印結合的形式

3D 打印與建筑工程結合分為三種形式：第一種形式為半裝配式加 3D 打??；第二種形式為全裝配式加 3D 打??；第三種形式為建筑工程全過程 3D 打印。

1.1 半裝配式加 3D 打印

所謂半裝配式加 3D 打印就是將承重結構梁、柱、剪力墻現場現澆，樓板為預制樓板加現澆疊合層半預制；外墻、樓梯、陽臺使用 3D 打印，按裝配式建筑施工方式安裝，這種 3D 打印形式不是簡單的打印，墻、樓梯、陽臺里面沒有鋼筋，利用特殊的材料制成增材，用來提高整個混凝土構件的抗拉、抗壓強度等力學性能。從現階段國內目前的情況看，大部分都采用半裝配式加 3D 打印。

1.2 全裝配式加 3D 打印

全裝配式加 3D 打印，顧名思義，就是其生產施工流程和現代的工業化住宅裝配式結構建筑相同。建筑物的梁、柱、剪力墻、樓梯、陽臺等提前進行建筑工業模塊化設計，用 3D 打印機在加工廠打印出來，最后運送到施工現場對其進行拼裝，就像搭積木一樣蓋房子。

1.3 全過程 3D 打印

建筑工程的全過程 3D 打印又分為以下兩種形式。

（1）第一種形式是在建筑的大體范圍內固定好預制鋼筋結構，再將建筑圖紙數據輸入到 3D 打印機的數控系統中，3D 打印機自動操作將調配好的油墨分層噴射或者擠出在鋼筋上形成建筑物。這種方式沒有完全擺脫原有建筑技術的影子，還需人工進行綁扎、安裝鋼筋。優點是無需加工，只需安裝模板，省下模板分部分項工程這道工序，單位鋼筋用量減少。與原有混凝土澆筑技術的主要區別在于 3D 打印機連接的是一個大型機械噴頭和商品混凝土布料桿澆筑機械。2017 年，在中國北京通州區宋莊鎮富豪工業區，就采用這種方式打印建造了兩層別墅?？赡苁怯捎诖蛴C的分辨率不高，在別墅墻面上呈現出像水紋一樣的層疊印痕。據此項目負責人介紹，這是世界上第一個3D 整體打印的別墅，縮短工期至 45 d，機械施工能減少80%～90% 的人工成本。由于 3D 打印建筑全都利用油墨，幾乎沒有原料浪費，建筑垃圾少，工程總造價降低。

（2）第二種形式突破 3D 打印的半裝配式和全裝配結構，是建筑產業由傳統施工完全蛻變為建筑制造業的華麗轉身，運用虛擬裝配技術和計算機仿真技術，真正實現智能化制造，是最前沿最頂端的技術。

2 建筑工程與 3D 打印結合交叉技術

隨著互聯網、云平臺、云計算、移動互聯網、物聯網、智能制造的快速發展，3D 打印建筑走入我國公眾視野至今已有兩年。油墨和打印設備是這項新技術的核心。3D打印的主要步驟為：掃描-建模-切片-打印-后處理。

2.1 建 模

首先，設計院依照建筑設計圖通過計算機軟件如 CAD設計軟件或者三維空間掃描立體成型軟件等，結合 BIM 技術應用，設計出立體的數字化、數據化、個性化、定制化模型，由網絡傳輸給特定 3D 打印機。設計軟件和打印機之間協作采用的標準文件格式為 STL 文件格式。一個 STL 文件使用三角面來近似模擬物體的表面，若三角面越小，則其生成的表面分辨率就越高?；蛘?，通過 PLY 掃描產生三維文件，如 VRML 文件或 WRL 文件，以全彩打印的格式輸入文件。

2.2 油 墨

打印增材，即打印所得的原材料，是由一種特殊的材料制成。原料主要來自于礦山尾礦、工業垃圾和建筑垃圾，以及金屬、陶瓷、塑料、砂、水泥和特殊的外加劑所組成的材料，經過建筑垃圾加工和分離、處理及特殊玻璃纖維強化形成油墨。作為一種建筑材料，這種特殊的油墨也包括凝膠材料、骨料、外加劑材料。凝膠材料除了含有水泥以外，還含有水玻璃、樹脂、地聚合物、石膏等。對骨料的要求，比傳統混凝土的要求更高，除了強度更高、密度更小，顆粒形貌接近球型，最大粒徑應在 10 mm 以下以外，對顆粒級配、含泥量、有害物質含量等指標要求更加嚴格。外加劑要求具有多種功能，必須是一種復合型的超塑化劑，具有良好的適應性，在管道內具有優異的流動性，工作性能好。這些材料最后配比成一種液化、粉末化、絲化的粘合性的復雜多樣 3D 打印機油墨材料，經過逐層打印的方式來構造建筑物。原材料的配方實現了建筑垃圾的二次利用和再生利用，節省了建筑原材料的費用，大大減低了傳統建筑方式對于環境的破壞。

為確保油墨在堆疊過程中不會坍塌，也就是當噴嘴噴出第二層油墨時，第一層油墨必須是處于半凝固狀態，既不能流動，又要與第二層粘合，就必須要求油墨的凝固時間與機器的打印時間保持一致。此外，油墨還必須滿足不同地區適應不同地理氣候環境的要求。

2.3 打印成型技術

目前，流行的 3D 打印成型技術有多種，主要有 3DP技術、SLS 選區激光燒結、FDM 熔融層積成型技術、LOM分層實體制造技術、SLA 立體平版印刷技術。用于建筑物打印主要是 3DP 技術，它又分為三種工藝：D 型工藝（D-Shape）、輪廓工藝（Contour Crafting）和混凝土打?。–oncrete Printing）。用此工藝的打印機通過掃描橫截面數據，逐層創建各部件，也就是逐層的截面，即切片，從而指導打印機逐層打印，最終把計算機上的三維立體藍圖變成實物。

2.4 3D 打印設備

3D 打印設備是一種由擠出或噴射巨型機械構成的打印機。打印方式分為三種：全尺寸打印、分段組裝式打印和群組機器人集體裝配式打印。

2.4.1 全尺寸打印方式

建筑越大，全尺寸打印方式的 3D 打印設備所需要的3D 打印機也就越大，打印機尺寸一旦變大，打印精度就相對變差，這就是它的局限性。據了解，打印設備是由擬打印建筑兩邊鋪設的軌道、架設的兩個支架和一個可移動的大型噴頭所組成，有的類似雙龍門吊樣式結構，打印機可像塔吊一樣升降等。例如，2014 年 8 月，在上海張江高新青浦園區用高 6.6 m、寬 10 m、長 32 m 的 3D 打印機建筑打印 10 幢小屋，底面占地面積足有一個籃球場那么大，高度足有 3 層樓高，打印機長度還可以延伸，完全拉開足有150 m。據悉，荷蘭最近開發一種新型 3D 打印設備，打印精度高，體積相對較小，只有 11 m×5 m×4 m。

2.4.2 分段組裝式打印

分段組裝式打印是在工廠里將每塊組裝部件打印好，最后在現場進行組裝。雖然這種分段組裝式打印機的占地面積相對較小，但是組裝成本高，仍具有局限性。例如，2015 年 1 月 18 日，在蘇州工業園區，采用分段組裝式打印方式 3D 打印了一棟 6 層（地上 5 層地下 1 層）建筑物和一套占地面積為 1100 m2的別墅。

2.4.3 群組機器人集體打印裝配

群組機器人集體打印裝配采用 3D 打印機群組，以一種自組織自協調的群體智能方式完成建筑物的打印裝配，涉及到現在流行的人工智能技術。這種打印機組的尺寸與建筑尺寸無關，對打印機的智能要求也可以大大降低。但是，目前這項技術還不夠成熟，運行與維護的成本也很高，因此掌握者甚少。

3 我國建筑工程與 3D 打印結合的利與弊

3.1 建筑工程結合 3D 打印的優點

3D 打印建筑是集軟件、測量、數控、激光、CAD 建模、MBI 技術和材料等多學科于一體的復雜的綜合學科合作，是一種多形態發展的技術，不僅很好地繼承了制造業流水線生產和智能化制造的思路，而且還適應現代建筑技術發展的必要需求。

3D 打印建筑具有 3D 打印數字、分層、堆積、直接和快速等多方面的制造優點。

（1）建筑工程利用 3D 打印，能精確地用函數表達一些曲面非線性的建筑，尤其在曲面結構、內部結構的制造中，可以彌補傳統制作的缺陷；一些具有特性的建筑以及研制的新式建筑，都可以打印出來，作為建筑模型制作的一種補充。

（2）建筑工程利用 3D 打印，在施工環節不需要額外進行深化設計，去人工拼接板，可做到無縫整體性效果。

（3）建筑工程利用 3D 打印，對建筑師而言，能便于水暖電與結構專業檢查三維管道管線碰撞；對土木工程師而言，能創造微縮模型及足尺模型，進行各種試驗，檢驗有限元模型分析的結果。

（4）建筑工程利用 3D 打印，還可以進行設計方案的評定、建筑總體與裝修的展示評價、科學計算數據實體可視化等，為建筑工業化發展提供了無限的可能，提高整個建筑行業技術水平和技術創新。

（5）3D 打印建筑物從原材料的制作到材料的半成品，從材料的強度精確測算到打印過程，都實現了數字化監控。

（6）從原料到油墨材質，其要求都高于現代傳統方式的建筑材料。

（7）打印過程通過機化數控完成，避免了傳統建設方法中人為因素影響建筑質量，從而保證了建筑質量和建筑壽命。

（8）3D 打印可節約建筑材料 30%～60%，縮短工程施工工期 50%～70%，減少人工 50%～80%，至少能使建筑成本降低 50% 以上。

3.2 建筑工程結合 3D 打印的弊端

3D 打印屬于新型高新處技術，有著獨特的運作模式。在我國 3D 打印在基礎研究和產業化方面雖然有了一定的進展，但現階段還處在概念及實驗階段。因為這是一個涉及到材料科學、機械制造、設計學、土木工程理論的交叉學科，綜合性較復雜，受制于結構理論，理論研究未能跟上。在學術理論研究領域，中國仍然是初級階段，3D 打印建筑在可制造材料、計算機建模、打印技術、與現階段勞動密集型企業用工制度的沖突等方面存在弊端。

（1）由于可制造材料有限，用于建筑工程的某些金屬、氯氧鎂水泥等已有材料，比較昂貴且稀少。不能夠進行規模的經濟生產，制作成本偏高，致使 3D 打印技術的推廣受到了一定的限制。還有 3D 打印所用的增材的特性、力學性能指標、物理、化學性能指標（耐寒、耐腐性、耐高溫、耐久性等）、顆粒大小、熱學、粉末顆?？扇苄?、光學等特征沒有做出科學的、系統的研究；這些特性還是3D打印所要求的加工精度、機械性能，特征分辨率和表面質量的一個有待研究的問題。

（2）3D 打印靠計算機建模軟件建模，3D 打印專業人士還要知道 CAD 成型技術、MBI 技術、網絡技術、機械運行技術等廣泛的綜合技術，這種復合專業人才的培養還需較長時間。

（3）我國的 3D 打印技術與發達國家相比仍有較大差距，如層和層間連接再怎樣嚴密，無法與傳統鍛件相媲美，還有沒有形成產業鏈、工業環境不配套等。在一些核心技術和關鍵器件上也仍然對國外依賴較大。

（4）社會和諧、安定團結、大環境、建筑從業人員基數不能在短期內實現普及建筑工程上利用 3D 打印。據不完全統計中國建筑從業人員 5000 余萬人，建筑勞務人員4000 余萬人，建筑工程普及 3D 打印，這么多人就會失去掙錢的收入渠道，會給社會帶來不安定因素，給國家帶來混亂。

4 建筑工程應用 3D 打印的前景

3D 打印建筑是一種全新的建筑方式。3D 打印建筑可以消耗建筑垃圾和廢品，卻能生產出漂亮的建筑。它完全可以就地取材，回收建筑垃圾、工業垃圾和尾礦，通過技術處理、加工、分離，使之成為 3D 打印建筑油墨的原材料，讓建筑垃圾回到建筑中，新建建筑環保且不產生垃圾。建筑工程結合 3D 打印的建筑價值體現在：（1）節約資源、綠色環保；（2）改善城市的空氣質量，降低了揚塵和污染；（3）建筑垃圾可再生利用；（2）建造的效率高，建筑成本降低 50% 以上，生產效率提高；（4）3D 打印建筑還具有藝術性和概念性，可以實現建筑的私人訂制；（5）3D 打印建筑的施工現場，不再是車輛進出頻繁，人員往來密集，建筑材料大量堆放，攀爬、砌磚、抹灰等凌亂無序的場景，而是只需若干名技術人員按照電腦中設計好的三維立體模型，操控 3D 打印設備，一次成型，完成建筑構造。

隨著科技的發展和技術的進步，新技術推動了建筑的革新，不僅是 3D 打印，還有納米科技、人工智能、新能源產業等這些新科技元素以及生物科技融入建筑中。對于未來建筑而言，人類可以到海底打印建筑，去外星球打印房子，這些夢想都將會變成現實。

5 結 語

對物質世界的認識，不僅僅是 3 個維度的空間信息，還包括作用力、物質、材料等這些內在實質性的復雜性元素。從模擬、設計到 3D 信息再現，是一個很理想化的創新理念。最近，住建部出臺的《2016—2020 年建筑業信息化發展綱要》指出：“積極開展建筑業 3D 打印設備及材料的研究。結合 BIM 技術應用，探索 3D 打印技術運用于建筑部品、構件生產，開展示范應用?！边@說明 3D 打印建筑得到了國家的認同和支持。當前，信息技術在建筑業中高速發展，推動著住宅工業化向自動化、集成化、智能化發展，必然會促進 3D 打印與建筑工程的結合。到時候，房屋的建造周期將大大縮短，施工效率極大提高，不僅有效節省房屋建造的人力、物力、財力等各項資源，而且建造出來的新型建筑具有綠色環保、節約資源的優點。因此，掌握了增材制造和 3D 打印設備與建筑工程結合這一技術制高點，就能擁有建筑業的話語權，就能搶占建筑市場的先機。但是，我們現在也要清醒地認識到，3D 打印大多應用于高新科技領域，在短期內，增材制造、3D 打印對建筑、土木工程的影響并不顯著，建筑工程與 3D 打印充分結合，還有很長的一段路要走。