3D打印技术在建筑领域的应用

董 林

（山东华邦建设集团有限公司 山东 潍坊 262500）

1 引言

现代信息科技的发展对于推动建筑行业的进步有着重要意义。3D打印技术作为现代科技的典型代表，在建筑行业的应用可以充分发挥其模拟价值，能够构建立体的模型，确保工作人员直观地查看建筑工程产品的最终结果。为了进一步发挥该技术的作用，相关工作人员应当明确3D打印技术的流程，落实该技术在建筑领域的应用。

2 3D打印概述

3D打印技术是一种新型的制造技术，综合应用了计算机、机电、数控、激光、新材料，主要是用3D打印机逐层累计叠加形成三维结构实体，主要材料为粉末和片状丝状等离散型材料，制造加工过程包括切、削、磨、钻等方式。在建筑领域应用3D打印技术主要流程为监理三维模型、模拟三维模型、分层切片处理、规划层片路径、加工与叠加层片。美国3D打印技术委员会按照如下方式定义3D打印技术：3D打印技术完全不同于传统材料加工方法，以CAD模型数据为基础构建模型并且逐层增加材料，制造出和三维物理实体模型完全一致的数学模型。建筑工程中3D打印技术流程如下。

（1）建立三维模型。当前构建三维模型的方法包括两种，一种是利用Autocad、Pro/e、UG等计算机辅助设计软件直接建模，另一种是通过点云数据和逆向反求原理完成三维实体模型的构建。

（2）近似模拟三维模型。想要在快速成型系统中使用数据格式就要将三维模型及时转化为能够被系统识别的数据。当前存在STL、CLI、LMI等多种可以被快速成型系统识别的文件格式，其中最为常用的数据格式为STL文件格式。利用计算机辅助设计软件能够直接输出STL格式文件。

（3）分层切片处理。3D打印过程主要是离散、堆积，通过近似拟合一系列平行、等间距的二维模型才能构建出和加工需求一致的三维模型，我们将这个过程称为分层切片处理过程，产品精确度随着分层的数量增多而提高，但是同时也会增加加工时间。有的产品对精确度要求不高，为了缩短加工时间可以将分层减少。

（4）合理规划层片路径。分层切片处理得到的层片轮廓要根据3D打印加工的要求转化成打印喷头运动路径从而填充层片，我们将这个过程称之为层片路径规划。通过实现层片轮廓到具体喷头运行路径的转化能够实现打印效果的优化，提升3D打印合理性。

（5）层片加工和叠加。在喷头运行路径规划好后能够加工和叠加层片。在控制系统控制之下，3D打印喷头能够按照规划好的路径开始打印，然后通过叠加最终得到计划的产品。

将3D打印技术应用于建筑领域主要利用的是3D打印技术堆积原理，利用工业机器人完成构建铺设材料的工作。在建筑领域所用的3D打印机结构主要包括打印头、耗材、介质、机械组件等类似于传统打印机的构件。根据计算机设计的三维模型数据和运行程序分层打印并且逐层叠加得到建筑实物，利用建筑3D打印机实现从计算机三维模型到实物的转化[1]。

3 3D打印技术的特征

3D打印技术具有多样性、专业性、全覆盖性等特点，其在建筑领域的应用有助于提升建筑工程建设水平。

3.1 3D打印技术的多样性

3D打印技术容易受到诸多方面的因素影响，比如打印技术、产品精密度、价格等。3D打印技术是一种有着较强综合性的技术，需要很多公司共同完成该技术的应用，可见，3D打印并不是一项单一的技术，而是具有多样性特征，需要充分发挥出各项技术的价值和优势，在实际应用中为企业创造效益。3D打印技术的多样性特点对企业技术占有率、企业发展水平等方面都有着决定性作用。

3.2 3D打印技术的专业性特征

专业技术拥有率的大小是决定3D打印市场的管件因素，通过研究当前3D打印机可知，目前“双巨头+专业性”是当前3D打印技术的主要表现形式，其专业性特征十分明显。当前3D打印技术研究的基础为各项相关技术，需要充分体现并且发挥出各项技术的优势才能快速实现3D打印技术商业化发展，才能实现相关资料的获取，才能将3D打印技术的重要市场地位充分凸显出来。

3.3 3D打印技术的全覆盖特征

目前，市场上很多企业可以为人们提供3D实体产品、设备、平台等相关服务，这种多种方法的运行模式体现了3D打印技术的全覆盖性特点。在3D打印市场上，有的企业专注于一种技术设备材料，通过针对性地研究某一种特殊分化的技术形成了具有一定规模的特色公司，为客户专门提供材料、设备等服务。可见，在3D打印技术实际市场运行中，可以形成全覆盖的产业链，构建相应的平台，提供针对性的材料设备，将3D打印市场的产业链范围扩大，实现全面覆盖[2]。

4 建筑领域3D打印技术的应用分析

4.1 应用于建筑构件中

建筑师在打印过程中主要采用的方式包括激光烧件、节点式，每一节点分段的打印都要严格遵守设计图纸比例中的要求，直到最终制作完成建筑物模型，实现组合拼接，达到节约物力、人力的效果。同时，在建筑构件模型制作中利用3D打印技术操作便捷，能够将构件的适用性和美观性提升。3D打印技术在一些建筑物附属装饰品上也得到了广泛的应用，比如在异常复杂化的中式古典建筑、欧式壁雕装饰物表面结构中可以充分发挥3D打印技术的优势，传统的施工方式需要耗费大量的时间，工作效率不高，构件的结构、细节部分难以把控，而3D技术有效地解决了这些问题，能够通过基底建模和计算机控制比例精确、批量生产构件，完成局部细节的严格控制。3D打印技术在建筑装饰中的高效应用促使建筑装饰逐渐朝着细节处理、技术优化等方向进步[3]。

4.2 应用于建筑设计方案中

在建筑项目方案设计阶段客户、团队成员之间的认识和想法存在较大的差异性，不同的要求和认识导致设计方案难以高效确认，传统的二维设计图纸也难以充分为客户、施工人员所理解，所以二维图难以完整地展现出整个工程的全貌，在实现过程中如果后期产生了不同的意见那么必然会导致设计发生变更甚至无法按照计划推进。利用3D打印技术能够直观完整地展现出整个建筑工程项目，通过打印出方案实体，能够直观呈现出设计方案的建设结果，相关人员根据实体模型明确自己的要求，合理调整各项参数，同时做好协调处理，提升建筑设计方案的科学性。工作人员尤其要考虑建筑工程的景观、道路交通等方面的问题，利用3D打印技术能够直观完整地展现出建筑产品建成后的效果。在设计阶段，每个细节、每个项目、每个环节都可能会对建筑产品的质量安全产生影响，如果设计不合理很可能出现严重的后果。利用3D打印技术可以明确设计方案可行性，降低设计方案失败的概率，可以降低设计阶段不足造成的损失。

4.3 3D技术在古建筑修复中的应用

古建筑修复工作的困难和问题较多，如果仅仅是古建筑外观局部受损且不严重，尚可高效完成修复，但是如果是结构受损，那么受到不同材料、地域因素、时间等方面的影响，将难以高效修复古建筑结构。很多古建筑有着十分复杂的结构，所用材料较为特殊，受到材料、结构等诸多方面因素的限制，导致古建筑结构修补困难重重。人工观察修补虽然能够解决一些损坏之处，但是修补结果难以切实达到预期要求。比如榫卯结构是我国古建筑中十分常见的结构，如果单纯地依靠现代技术难以切实将损坏之处修复，通过利用3D扫描技术能够对古建筑的表层进行持续性观察，做好图像收集整理，然后利用计算机技术合理计算分析图片数据，最终获取古建筑表层空间数值，并且对物体三维轮廓进行精确地计算描绘，实现高精度的打印，保证能够契合古建筑结构。利用3D扫描技术能够完美地复刻出古建筑物中的形态细节，将需要的部分打印出来，精准地拼接到原建筑结构当中。综合利用3D扫描、CAD等能够快速完成修复模具的制作[4]。

5 结语

现如今建筑行业越来越重视3D打印技术，很多企业都开始积极创新和发展该技术。当前3D技术已经能够实现房屋拼装打印，但是在复杂建筑模型打印方面仍然需要相关工作人员进一步研究探索。未来建筑行业发展中将会进一步应用3D技术，并且会逐渐改善建筑行业的发展方式，为居民创造出更加舒适的建筑产品。