3D打印技术在建筑工程中的应用探究

摘 要：3D打印技术的运用越来越广泛，近年来受到各个相关行业的关注，这一新技术在建筑工程建中更是得到了突破性的应用，本文主要讲述3D打印技术在建筑工程建设中的发展及应用，探索如何利用3D打印技术改善传统建筑的方式和方法。

关键词：3D打印技术 应用 建筑施工技术

3D打印技术是近年来新兴的一种技术，自问世以来就得到了广泛的关注，应用跨越各个领域。在建筑领域，它更是以简捷方便的操作方式吸引了不少建筑人在这方面的研究，而在高校之中却还没得到相应的关注，高校作为培养人才的场所，是改革创新的主要力量，应该高度重视科技的发展，3D打印技术作为一种新型的科技，它具备着在建筑方面的巨大潜力，并且已经在建筑方面得到不少的研究成果。本文主要对3D打印技术在建筑工程建设中所起到的应用和发展进行研究和探讨。

1、3D打印技术的发展

3D打印技术最早起源与美国，80年代后期，3D打印技术有了根本性的发展，1988年发明了分成实体制造，1989年发明了粉末激光烧结技术，1992年发明了熔融沉积制造技术，1993年在麻省理工大学发明了3D打印技术。1994年德国公司EOS推出了EOSINT选择性激光烧结设备，1996年，3DSystems公司使用喷墨打印技术制造出其第一台3D打印机――Actua2100；近年来出现的新型打印机包括压电喷墨式、气动式、电动式、电流体动力喷式和混合式等5种3D打印机，而现在正在发展的大众化3D打印机包括工程设计用、简易实验用、学生学习用和家用等4种3D打印机。

2、3D打印技术原理

3D打印技术也称三维打印技术或快速成型技术，就是在普通的二维打印的基础上再加一维，使其最终形成一个三维物体，它工作原理是一种以数字模型文件为基础，即需要先在计算机上建模，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过将一层层地粘合材料打印制造三维的物体的技术，实现这种成型的设备称为3D打印机。成型的方法方式也多种多样，传统的有喷墨粘粉式（3DP）和熔融挤压式（FDM），近年来出现的新型打印机包括压电喷墨式、气动式、电动式、电流体动力喷式和混合式等，但是无论何种成型法，都是采取原料加层方法形成3D物体，这种打印实体的方式比传统的技术要更加方便快捷，绿色节能。

3、3D打印在建筑工程建设中的应用

3.1 3D打印技术对建筑模型的初步应用

3D打印技术的应用极其广泛，在各种领域都有所涉及，特别在建筑领域中的应用在未来有取代传统建筑法之势。现阶段出于人们对建筑住房的要求越來越高，设计师们对建筑的设计不得不更加复杂化，目前传统的制作模型方法已经不足以满足人们的要求了，所以现在3D打印机是建筑设计师们必不可少的工具。

早在1986年，全球第一台3D打印机就在这个世界诞生了，并且在同一年打印出了简单的三维建筑模型。如今当你看见了一个完整的建筑模型被打印出来不用太惊讶，现在只要我们把建筑物的立体数据输入电脑，按打印键，3D打印机机会根据数据打印出立体实物。几年前，美国一位对3D打印技术极其的熟练而且对打印建筑物的速度能够很好控制的并且设计建筑方面有着极其丰富经验的建筑行业专家Rietveld architects的一项研究成果。自从2008他拥有属于自己的3D打印机开始，他就不再使用纸张、纸板之类的去构思画图，而是使用3D打印机去试验各种建筑小模型并且尝试实体建筑物，并且能够从里面学习到很多东西，不断的进行着改进。自从他们明白了将3D打印技术使用度达到最大，他们就改掉了之前的打印方法，从而改进打印制作模型的技术。后来他们发现用3D打印技术的打印速度也非常重要，并且他们找到了能够快速形成模型的软件。经过这些重重改良之后，他们认为打印的效率和质量要摆在首位，他们白天的时候在软件上设计建筑蓝图，在晚上进行打印，这样晚上可以通宵打印他们的模型，到第二天早上建筑模型已经被打印出来了。

3.2 3D打印实体建筑物在各国逐步出现

在美国，LGM公司就是利用喷墨粘粉式三维大打印机，通过在高性能石膏粉上选择性的喷射黏结剂来为客户制作建筑模型。在英国，建筑师查理·布斯维尔曾致力于建造一台4m×5m的的三维打印机，用于打印陶瓷、水泥、石膏、黏土、石灰、聚合物和金属材料，构成建筑物。例如，精确的打印出混合多种材料的的墙体，不必分别进行单独加工，墙体上能预留用于制作门窗的口子，也能将墙体打印出蜂窝结构，用于隔热保暖，还能预留布置电线和管道的通路。

我国3D打印技术的应用也十分广泛，无论是在建筑行业还是其他各个行业都得到了相当大的进步和发展。在上海，我国成功的在上海张江高新青浦园区内利用3D打印机打印出10栋建筑物，这些打印出来的建筑墙体主要利用建筑垃圾制成的特殊“油墨”然后按照计算机辅助设计（CAD）设计的图纸和方案，经过一台大型的3D打印机层层叠加喷绘而形成，然而令我们更吃惊的是，10栋小屋的建筑过程仅仅花费24小时。

3.3 3D打印技术打印建筑物实例

借助一台大型的3D打印机所打印出来的。房子的面积不大，十来个平方，最高不过两层，然而特别之处是我们看不到传统施工方法和材料，现场我们看不到一砖一瓦，墙体是由一层层水泥材料堆叠而成，呈现出年轮蛋糕的结构，这也就是我们3D打印技术层层打印的原理所喷绘而成的这样一个结构。据了解，用建筑垃圾制成的“油墨”是一种经过特殊玻璃纤维强化处理的混凝土材料，其使用年限和强度都高于钢筋混凝土。而且由3D打印机打印出来的空心墙不但能够很好地减轻了建筑物的自重，还能够填充一些保温材料或设计墙体结构，一次性解决墙体承重的结构问题。相同的，无论是桥梁、简易工房、居民住宅、剧院或者是宾馆、其建筑的强度都符合并且高于国家建筑行业标准，更让我们想不到的是，这种“油墨”挤出后很快凝固，保证了打印机的连续打印，也即是说如果我们要建一栋25层的住宅楼，只要打好地基，仅需要半个月即可完成整栋楼的建筑框架，最后安装好门窗，水管和电线管，最快一个多月我们便可入住。同时，使用3D打印建筑，绿色环保，节约材料和成本。

4、结语

在建筑业里，建筑设计师用3D打印机打印建筑物既快速又低成本、既环保又精美的方法，还节省了大量的建筑材料。现在3D打印技术打印建筑物这个领域已被许多国家应用，并且已有人居住在3D打印机所打印出来的建筑物里。3D打印技术打印建筑物在未来的22世纪将会有可能取代传统的建筑方法，并且还将会用3D打印机直接打印出一整栋楼房，同时，可以根据建筑物数据一并打印出建筑楼房里面的家具。这样的3D打印技术制作简单、环保、又低成本，在将来定会广泛地应用于全球。

参考文献

[1]胡迪利普森，梅尔芭库曼.3D打印 从想象到实现[J].网络与信息，2014.

[2]罗军.中国3D打印的未来[J].产业发展，2012.

[3]李小丽，马剑雄，李萍，陈琪，周伟民.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表，2014（01）.

作者简介：黄津麒（1996.02），男，河南开封人，河南大学土木建筑学院2014级本科生，土木工程专业475000。