探讨建筑工程与3D打印相结合及应用前景

李念勇（上海海龙良策工程顾问有限公司， 上海 200060）

0 引 言

3D 打印对于我们普通人来说都不陌生，其中文名为三维打印，外文名为 3D Printing（3DP）；国外翻译过来又称添加制造技术、增材制造技术和增量制造技术。第一台3D 打印机是由美国科学家查克·赫尔（Chuck Hull）发明于 1986 年。

何谓 3D 打印，美国科学家给出定义：一种使用直接制造和三维模型技术相结合的三维物理实体模型的加工方法，利用三维 CAD 成型技术对材料进行逐层的加工工艺，包括在生产过程中的快速制造相关联的打印工艺和材料加工前期快速原型技术。从打印技术的发展来看，2D 打印机的广泛应用影响到绘画、书法、摄影甚至传统印刷；3D 打印在 20 世纪七八十年代开始发展至今已近 30 年，影响到雕塑、模型制作、日常用品生产、工业制造等领域，甚至影响到建筑工程领域。未来3D打印与建筑工程领域紧密的结合，将会给建筑领域带来颠覆性的变革，赋予人类前所未有的想象。

1 建筑工程与 3D 打印结合的形式

3D 打印与建筑工程结合分为三种形式：第一种形式为半装配式加 3D 打印；第二种形式为全装配式加 3D 打印；第三种形式为建筑工程全过程 3D 打印。

1.1 半装配式加 3D 打印

所谓半装配式加 3D 打印就是将承重结构梁、柱、剪力墙现场现浇，楼板为预制楼板加现浇叠合层半预制；外墙、楼梯、阳台使用 3D 打印，按装配式建筑施工方式安装，这种 3D 打印形式不是简单的打印，墙、楼梯、阳台里面没有钢筋，利用特殊的材料制成增材，用来提高整个混凝土构件的抗拉、抗压强度等力学性能。从现阶段国内目前的情况看，大部分都采用半装配式加 3D 打印。

1.2 全装配式加 3D 打印

全装配式加 3D 打印，顾名思义，就是其生产施工流程和现代的工业化住宅装配式结构建筑相同。建筑物的梁、柱、剪力墙、楼梯、阳台等提前进行建筑工业模块化设计，用 3D 打印机在加工厂打印出来，最后运送到施工现场对其进行拼装，就像搭积木一样盖房子。

1.3 全过程 3D 打印

建筑工程的全过程 3D 打印又分为以下两种形式。

（1）第一种形式是在建筑的大体范围内固定好预制钢筋结构，再将建筑图纸数据输入到 3D 打印机的数控系统中，3D 打印机自动操作将调配好的油墨分层喷射或者挤出在钢筋上形成建筑物。这种方式没有完全摆脱原有建筑技术的影子，还需人工进行绑扎、安装钢筋。优点是无需加工，只需安装模板，省下模板分部分项工程这道工序，单位钢筋用量减少。与原有混凝土浇筑技术的主要区别在于 3D 打印机连接的是一个大型机械喷头和商品混凝土布料杆浇筑机械。2017 年，在中国北京通州区宋庄镇富豪工业区，就采用这种方式打印建造了两层别墅。可能是由于打印机的分辨率不高，在别墅墙面上呈现出像水纹一样的层叠印痕。据此项目负责人介绍，这是世界上第一个3D 整体打印的别墅，缩短工期至 45 d，机械施工能减少80%～90% 的人工成本。由于 3D 打印建筑全都利用油墨，几乎没有原料浪费，建筑垃圾少，工程总造价降低。

（2）第二种形式突破 3D 打印的半装配式和全装配结构，是建筑产业由传统施工完全蜕变为建筑制造业的华丽转身，运用虚拟装配技术和计算机仿真技术，真正实现智能化制造，是最前沿最顶端的技术。

2 建筑工程与 3D 打印结合交叉技术

随着互联网、云平台、云计算、移动互联网、物联网、智能制造的快速发展，3D 打印建筑走入我国公众视野至今已有两年。油墨和打印设备是这项新技术的核心。3D打印的主要步骤为：扫描-建模-切片-打印-后处理。

2.1 建 模

首先，设计院依照建筑设计图通过计算机软件如 CAD设计软件或者三维空间扫描立体成型软件等，结合 BIM 技术应用，设计出立体的数字化、数据化、个性化、定制化模型，由网络传输给特定 3D 打印机。设计软件和打印机之间协作采用的标准文件格式为 STL 文件格式。一个 STL 文件使用三角面来近似模拟物体的表面，若三角面越小，则其生成的表面分辨率就越高。或者，通过 PLY 扫描产生三维文件，如 VRML 文件或 WRL 文件，以全彩打印的格式输入文件。

2.2 油 墨

打印增材，即打印所得的原材料，是由一种特殊的材料制成。原料主要来自于矿山尾矿、工业垃圾和建筑垃圾，以及金属、陶瓷、塑料、砂、水泥和特殊的外加剂所组成的材料，经过建筑垃圾加工和分离、处理及特殊玻璃纤维强化形成油墨。作为一种建筑材料，这种特殊的油墨也包括凝胶材料、骨料、外加剂材料。凝胶材料除了含有水泥以外，还含有水玻璃、树脂、地聚合物、石膏等。对骨料的要求，比传统混凝土的要求更高，除了强度更高、密度更小，颗粒形貌接近球型，最大粒径应在 10 mm 以下以外，对颗粒级配、含泥量、有害物质含量等指标要求更加严格。外加剂要求具有多种功能，必须是一种复合型的超塑化剂，具有良好的适应性，在管道内具有优异的流动性，工作性能好。这些材料最后配比成一种液化、粉末化、丝化的粘合性的复杂多样 3D 打印机油墨材料，经过逐层打印的方式来构造建筑物。原材料的配方实现了建筑垃圾的二次利用和再生利用，节省了建筑原材料的费用，大大减低了传统建筑方式对于环境的破坏。

为确保油墨在堆叠过程中不会坍塌，也就是当喷嘴喷出第二层油墨时，第一层油墨必须是处于半凝固状态，既不能流动，又要与第二层粘合，就必须要求油墨的凝固时间与机器的打印时间保持一致。此外，油墨还必须满足不同地区适应不同地理气候环境的要求。

2.3 打印成型技术

目前，流行的 3D 打印成型技术有多种，主要有 3DP技术、SLS 选区激光烧结、FDM 熔融层积成型技术、LOM分层实体制造技术、SLA 立体平版印刷技术。用于建筑物打印主要是 3DP 技术，它又分为三种工艺：D 型工艺（D-Shape）、轮廓工艺（Contour Crafting）和混凝土打印（Concrete Printing）。用此工艺的打印机通过扫描横截面数据，逐层创建各部件，也就是逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印，最终把计算机上的三维立体蓝图变成实物。

2.4 3D 打印设备

3D 打印设备是一种由挤出或喷射巨型机械构成的打印机。打印方式分为三种：全尺寸打印、分段组装式打印和群组机器人集体装配式打印。

2.4.1 全尺寸打印方式

建筑越大，全尺寸打印方式的 3D 打印设备所需要的3D 打印机也就越大，打印机尺寸一旦变大，打印精度就相对变差，这就是它的局限性。据了解，打印设备是由拟打印建筑两边铺设的轨道、架设的两个支架和一个可移动的大型喷头所组成，有的类似双龙门吊样式结构，打印机可像塔吊一样升降等。例如，2014 年 8 月，在上海张江高新青浦园区用高 6.6 m、宽 10 m、长 32 m 的 3D 打印机建筑打印 10 幢小屋，底面占地面积足有一个篮球场那么大，高度足有 3 层楼高，打印机长度还可以延伸，完全拉开足有150 m。据悉，荷兰最近开发一种新型 3D 打印设备，打印精度高，体积相对较小，只有 11 m×5 m×4 m。

2.4.2 分段组装式打印

分段组装式打印是在工厂里将每块组装部件打印好，最后在现场进行组装。虽然这种分段组装式打印机的占地面积相对较小，但是组装成本高，仍具有局限性。例如，2015 年 1 月 18 日，在苏州工业园区，采用分段组装式打印方式 3D 打印了一栋 6 层（地上 5 层地下 1 层）建筑物和一套占地面积为 1100 m2的别墅。

2.4.3 群组机器人集体打印装配

群组机器人集体打印装配采用 3D 打印机群组，以一种自组织自协调的群体智能方式完成建筑物的打印装配，涉及到现在流行的人工智能技术。这种打印机组的尺寸与建筑尺寸无关，对打印机的智能要求也可以大大降低。但是，目前这项技术还不够成熟，运行与维护的成本也很高，因此掌握者甚少。

3 我国建筑工程与 3D 打印结合的利与弊

3.1 建筑工程结合 3D 打印的优点

3D 打印建筑是集软件、测量、数控、激光、CAD 建模、MBI 技术和材料等多学科于一体的复杂的综合学科合作，是一种多形态发展的技术，不仅很好地继承了制造业流水线生产和智能化制造的思路，而且还适应现代建筑技术发展的必要需求。

3D 打印建筑具有 3D 打印数字、分层、堆积、直接和快速等多方面的制造优点。

（1）建筑工程利用 3D 打印，能精确地用函数表达一些曲面非线性的建筑，尤其在曲面结构、内部结构的制造中，可以弥补传统制作的缺陷；一些具有特性的建筑以及研制的新式建筑，都可以打印出来，作为建筑模型制作的一种补充。

（2）建筑工程利用 3D 打印，在施工环节不需要额外进行深化设计，去人工拼接板，可做到无缝整体性效果。

（3）建筑工程利用 3D 打印，对建筑师而言，能便于水暖电与结构专业检查三维管道管线碰撞；对土木工程师而言，能创造微缩模型及足尺模型，进行各种试验，检验有限元模型分析的结果。

（4）建筑工程利用 3D 打印，还可以进行设计方案的评定、建筑总体与装修的展示评价、科学计算数据实体可视化等，为建筑工业化发展提供了无限的可能，提高整个建筑行业技术水平和技术创新。

（5）3D 打印建筑物从原材料的制作到材料的半成品，从材料的强度精确测算到打印过程，都实现了数字化监控。

（6）从原料到油墨材质，其要求都高于现代传统方式的建筑材料。

（7）打印过程通过机化数控完成，避免了传统建设方法中人为因素影响建筑质量，从而保证了建筑质量和建筑寿命。

（8）3D 打印可节约建筑材料 30%～60%，缩短工程施工工期 50%～70%，减少人工 50%～80%，至少能使建筑成本降低 50% 以上。

3.2 建筑工程结合 3D 打印的弊端

3D 打印属于新型高新处技术，有着独特的运作模式。在我国 3D 打印在基础研究和产业化方面虽然有了一定的进展，但现阶段还处在概念及实验阶段。因为这是一个涉及到材料科学、机械制造、设计学、土木工程理论的交叉学科，综合性较复杂，受制于结构理论，理论研究未能跟上。在学术理论研究领域，中国仍然是初级阶段，3D 打印建筑在可制造材料、计算机建模、打印技术、与现阶段劳动密集型企业用工制度的冲突等方面存在弊端。

（1）由于可制造材料有限，用于建筑工程的某些金属、氯氧镁水泥等已有材料，比较昂贵且稀少。不能够进行规模的经济生产，制作成本偏高，致使 3D 打印技术的推广受到了一定的限制。还有 3D 打印所用的增材的特性、力学性能指标、物理、化学性能指标（耐寒、耐腐性、耐高温、耐久性等）、颗粒大小、热学、粉末颗粒可溶性、光学等特征没有做出科学的、系统的研究；这些特性还是3D打印所要求的加工精度、机械性能，特征分辨率和表面质量的一个有待研究的问题。

（2）3D 打印靠计算机建模软件建模，3D 打印专业人士还要知道 CAD 成型技术、MBI 技术、网络技术、机械运行技术等广泛的综合技术，这种复合专业人才的培养还需较长时间。

（3）我国的 3D 打印技术与发达国家相比仍有较大差距，如层和层间连接再怎样严密，无法与传统锻件相媲美，还有没有形成产业链、工业环境不配套等。在一些核心技术和关键器件上也仍然对国外依赖较大。

（4）社会和谐、安定团结、大环境、建筑从业人员基数不能在短期内实现普及建筑工程上利用 3D 打印。据不完全统计中国建筑从业人员 5000 余万人，建筑劳务人员4000 余万人，建筑工程普及 3D 打印，这么多人就会失去挣钱的收入渠道，会给社会带来不安定因素，给国家带来混乱。

4 建筑工程应用 3D 打印的前景

3D 打印建筑是一种全新的建筑方式。3D 打印建筑可以消耗建筑垃圾和废品，却能生产出漂亮的建筑。它完全可以就地取材，回收建筑垃圾、工业垃圾和尾矿，通过技术处理、加工、分离，使之成为 3D 打印建筑油墨的原材料，让建筑垃圾回到建筑中，新建建筑环保且不产生垃圾。建筑工程结合 3D 打印的建筑价值体现在：（1）节约资源、绿色环保；（2）改善城市的空气质量，降低了扬尘和污染；（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，生产效率提高；（4）3D 打印建筑还具有艺术性和概念性，可以实现建筑的私人订制；（5）3D 打印建筑的施工现场，不再是车辆进出频繁，人员往来密集，建筑材料大量堆放，攀爬、砌砖、抹灰等凌乱无序的场景，而是只需若干名技术人员按照电脑中设计好的三维立体模型，操控 3D 打印设备，一次成型，完成建筑构造。

随着科技的发展和技术的进步，新技术推动了建筑的革新，不仅是 3D 打印，还有纳米科技、人工智能、新能源产业等这些新科技元素以及生物科技融入建筑中。对于未来建筑而言，人类可以到海底打印建筑，去外星球打印房子，这些梦想都将会变成现实。

5 结 语

对物质世界的认识，不仅仅是 3 个维度的空间信息，还包括作用力、物质、材料等这些内在实质性的复杂性元素。从模拟、设计到 3D 信息再现，是一个很理想化的创新理念。最近，住建部出台的《2016—2020 年建筑业信息化发展纲要》指出：“积极开展建筑业 3D 打印设备及材料的研究。结合 BIM 技术应用，探索 3D 打印技术运用于建筑部品、构件生产，开展示范应用。”这说明 3D 打印建筑得到了国家的认同和支持。当前，信息技术在建筑业中高速发展，推动着住宅工业化向自动化、集成化、智能化发展，必然会促进 3D 打印与建筑工程的结合。到时候，房屋的建造周期将大大缩短，施工效率极大提高，不仅有效节省房屋建造的人力、物力、财力等各项资源，而且建造出来的新型建筑具有绿色环保、节约资源的优点。因此，掌握了增材制造和 3D 打印设备与建筑工程结合这一技术制高点，就能拥有建筑业的话语权，就能抢占建筑市场的先机。但是，我们现在也要清醒地认识到，3D 打印大多应用于高新科技领域，在短期内，增材制造、3D 打印对建筑、土木工程的影响并不显著，建筑工程与 3D 打印充分结合，还有很长的一段路要走。