3D打印——建筑篇之優(yōu)缺點(diǎn)與應(yīng)用前景

3D打印的優(yōu)缺點(diǎn)

3D打印不僅是一種全新的建筑方式，更可能是一種顛覆傳統(tǒng)的建筑模式。與傳統(tǒng)建筑技術(shù)相比，3D打印建筑的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下方面：更快的打印速度，更高的建筑效率；不再需要使用模板，可以大幅節(jié)約成本；更加綠色環(huán)保，減少建筑垃圾和建筑粉塵，降低噪聲污染；減少建筑工人的使用，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；節(jié)省建筑材料的同時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)還可以根據(jù)需求運(yùn)用聲學(xué)、力學(xué)等原理做到*化；可以給建筑設(shè)計(jì)師更廣闊的設(shè)計(jì)空間，突破現(xiàn)行的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)打印出傳統(tǒng)建筑技術(shù)無(wú)法完成的復(fù)雜形狀的建筑。

3D打印建筑的優(yōu)點(diǎn)歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn)：

（1）施工工期短，施工過(guò)程無(wú)污染

當(dāng)前我國(guó)的3D打印機(jī)可以在yi天時(shí)間內(nèi)完成10幢200 m2的建筑，這是傳統(tǒng)建筑方式所不能達(dá)到的速度。整個(gè)“打印”過(guò)程，只需要一臺(tái)3D打印機(jī)、一臺(tái)計(jì)算機(jī)、3 人~ 5 人以及打印所需的材料。將圖紙錄入電腦，根據(jù)圖紙以及相關(guān)數(shù)據(jù)，可以快速jing準(zhǔn)的完成建筑墻體、樓板的“打印”。打印所需原料是經(jīng)技術(shù)處理過(guò)的牙膏狀的新型混凝土混合材料，建筑3D打印機(jī)的噴頭工作方式與制作蛋糕時(shí)的奶油裱花工藝相似，打印材料從噴頭中噴出。這樣簡(jiǎn)單的材料，一改日常建筑施工現(xiàn)場(chǎng)塵土飛揚(yáng)、作業(yè)噪聲大的糟糕施工環(huán)境，減少了材料、構(gòu)件的運(yùn)輸。在建筑領(lǐng)域guang泛的運(yùn)用3D打印技術(shù)，可將建筑能耗從70%降至30%。施工過(guò)程經(jīng)濟(jì)環(huán)保，傳統(tǒng)建造工藝在此方面只能是*。

（2）材料環(huán)保，成本低

從綜合媒體對(duì)3D打印建筑的報(bào)道得知，3D打印所需的材料是回收可利用的建筑垃圾，將其處理、加工、分離后，再與高強(qiáng)混凝土以一定比例相配合而形成3D打印建筑的材料。與傳統(tǒng)的人工砌筑相比，3D打印建筑避免了因尺寸差別而進(jìn)行材料切割所造成的浪費(fèi)。一次成型，避免返工。這些優(yōu)點(diǎn)在如今提倡節(jié)能減排，綠色低碳的可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)環(huán)境中是值得提倡和發(fā)展的。3D打印的建造模式極大的減少了人工成本、運(yùn)輸成本、管理成本等，較傳統(tǒng)建筑方式相比可降低50%。

（3）墻體自重輕

3D打印建筑所打印出來(lái)的墻體是空心的，為保證其結(jié)構(gòu)支撐性能在中間添加“z”形支撐(見圖2.8) 。中間可添加泡沫材料以達(dá)到保溫隔熱、降噪吸聲的目的。相比鋼筋混凝土實(shí)心墻體，3D打印建筑的墻體要輕許多。

（4）提高質(zhì)量

D打印的產(chǎn)品是無(wú)縫銜接的，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)建筑。據(jù)測(cè)算3D打印建筑結(jié)構(gòu)的zui高強(qiáng)度能達(dá)到10000PSI (約合69.0MPa) ，而傳統(tǒng)人工建成的建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一般只有3000PSI(約合20.7MPa) 。3D打印機(jī)可*聽從電腦程序，順序打印完一層自動(dòng)爬上另一層，比人工建造更加，保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性; 同時(shí)會(huì)依據(jù)的計(jì)算及堅(jiān)固的材料確保房屋質(zhì)量。住宅產(chǎn)業(yè)化較傳統(tǒng)建造方式在房屋質(zhì)量方面已經(jīng)有了提高，改善了房屋滲漏、開裂等一些問(wèn)題，引進(jìn)3D打印技術(shù)后會(huì)更進(jìn)一步提高住宅的質(zhì)量。   

（5）有利于環(huán)境保護(hù)

相比其他傳統(tǒng)的建筑工藝，3D打印建筑技術(shù)更加環(huán)保。例如建造觀景房過(guò)程中不再需要將水泥和木材運(yùn)輸至建筑工地，每一個(gè)設(shè)計(jì)只需要少量的原材料，因此使用原材料減少?gòu)亩鴾p少了浪費(fèi)，并且suo有材料都可以熔化回收利用。甚至可以用3D打印機(jī)打印太陽(yáng)能電池板直接鋪于房屋外層。因此，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于住宅產(chǎn)業(yè)化將更加有利于環(huán)境保護(hù)。

（6）降低施工作業(yè)危險(xiǎn)性

用3D打印技術(shù)建造房屋將比現(xiàn)在的建筑技術(shù)更加安全，降低了施工現(xiàn)場(chǎng)高空墜落、坍塌、物體打擊的事故。美國(guó)每年因?yàn)槭┕がF(xiàn)場(chǎng)作業(yè)導(dǎo)致數(shù)萬(wàn)建筑工人受傷、數(shù)千名建筑工人死亡，使用3D打印機(jī)技術(shù)建造房屋將會(huì)降低施工作業(yè)的危險(xiǎn)，使工人工作環(huán)境更加安全。

（7）建造出復(fù)雜、特殊、個(gè)性化的建筑產(chǎn)品3D打印技術(shù)打印

越復(fù)雜的東西越能凸顯出它的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，在建筑領(lǐng)域，當(dāng)建筑師的一些奇思妙想的設(shè)計(jì)方案用傳統(tǒng)的建筑方式無(wú)法完成時(shí)，3D打印可以將其設(shè)計(jì)想法變成現(xiàn)實(shí)。無(wú)論怎樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只要能將其圖紙畫出來(lái)，利用3D打印技術(shù)便可一次成型，解決了傳統(tǒng)建造方式無(wú)法突破的難題。

（8）快速解決人口居住問(wèn)題

由于棚戶區(qū)的不斷膨脹，快速的城鎮(zhèn)化，經(jīng)濟(jì)停滯蕭條，高失業(yè)率，貧窮，自然災(zāi)害和社會(huì)矛盾等問(wèn)題將為整個(gè)社會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重威脅?？焖俅蛴×畠r(jià)的生存空間可能是解決這個(gè)社會(huì)快速變革所帶來(lái)的人口居住問(wèn)題的部分解決方案。理論上，3D打印的增材制造是替代棚戶區(qū)的解決方案。成本低廉，也無(wú)需太多人工，多數(shù)的建造過(guò)程由自動(dòng)化機(jī)器人完成。

3D打印建筑的缺點(diǎn)有：

（1）材料結(jié)構(gòu)性能不確定

目前已經(jīng)問(wèn)世的3D打印建筑多數(shù)為1 層~2層低矮的建筑，少數(shù)為多層住宅，但材料的耐久性、剛度、強(qiáng)度、承載力極限值等重要指標(biāo)能否滿足建筑行業(yè)內(nèi)的規(guī)范還有待確定。打印出來(lái)的建筑能佇立多久、能使用多久仍然是未知數(shù)。3D打印建筑是水平逐層打印，缺少縱向鋼筋，所以打印出來(lái)的建筑能承受多dadizhen力荷載的作用也還沒(méi)有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（2）行業(yè)內(nèi)缺少相關(guān)規(guī)范

3D打印技術(shù)的理念提出于20世紀(jì)，在21世紀(jì)得以實(shí)現(xiàn)并加速發(fā)展。從時(shí)間來(lái)看3D打印似乎是經(jīng)歷了很長(zhǎng)時(shí)間。但3D打印建筑卻是一個(gè)全新的領(lǐng)域，建筑行業(yè)內(nèi)還沒(méi)有任何相關(guān)的規(guī)范條例。使用年限和房屋產(chǎn)權(quán)等一系列問(wèn)題都沒(méi)有部門的認(rèn)可。

（3）建筑的表面粗糙

3D打印技術(shù)運(yùn)用逐層堆疊的原理。打印層后，需要在等其牙膏狀打印材料固化之后再進(jìn)行下一層打印。通過(guò)層間緊密粘結(jié)保持墻體的整體性。也正是因?yàn)榈讓硬牧瞎袒笊蠈硬牧喜趴梢辕B加，導(dǎo)致兩層材料之間不能光滑過(guò)度，使得表面粗糙，并且只能形成樣式簡(jiǎn)單且單一的條紋。若不進(jìn)行外裝及室內(nèi)裝修，會(huì)影響建筑外立面的美觀性。

（4）技術(shù)研發(fā)還不夠成熟

3D打印技術(shù)目前還處于初級(jí)階段，制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素之一是3D打印所消耗的材料，因此該技術(shù)成為主流生產(chǎn)建造技術(shù)還需要各方面技術(shù)的提高[12]。另外3D打印耗時(shí)也是需要解決的技術(shù)難題之一，通常打印大尺寸零件需要好幾天時(shí)間，甚至一個(gè)小的螺母也要打印十幾分鐘，所以3D打印技術(shù)目前并不適合大批量的生產(chǎn)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，3D打印技術(shù)提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵還是打印耗時(shí)。同時(shí)，目前3D打印只局限于使用一種材料進(jìn)行打印，在結(jié)合多種材料進(jìn)行打印的技術(shù)水平方面還有待提高。同時(shí)，使用的電力是在工廠里的10倍，以及還沒(méi)有找到在重量強(qiáng)度和耐久性等都很理想的材料。

（5）宏觀規(guī)劃和投入不足

我國(guó)在先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展、工業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型等規(guī)劃中對(duì)3D打印產(chǎn)業(yè)重視不足，目前我國(guó)小規(guī)模企業(yè)普遍沒(méi)有足夠的資金進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，阻礙了這些企業(yè)掌握3D打印的核心技術(shù)，故目前將3D打印技術(shù)應(yīng)用于打印建筑還是困難重重。

（6）技術(shù)人才的短缺

3D打印技術(shù)融合了很多學(xué)科專業(yè)知識(shí)，要將3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑業(yè)需要培養(yǎng)型人才，而我國(guó)目前在這方面還有些欠缺。例如無(wú)法購(gòu)置足夠數(shù)量的設(shè)備，應(yīng)用研究領(lǐng)域也較窄，學(xué)校教學(xué)中缺乏和3D打印技術(shù)相關(guān)課程，政府也缺乏相應(yīng)的宣傳和培訓(xùn)。3D打印建筑特點(diǎn)見表2.2。

表2.2  3D 打印建筑特點(diǎn)

3D打印建筑

生產(chǎn)技術(shù)

基于CAD圖形文件

自動(dòng)化增材制造

可在現(xiàn)場(chǎng)或工廠整體或分部分打印再拼裝

較容易通過(guò)客戶反饋及時(shí)修改建筑設(shè)計(jì)方案

供應(yīng)鏈

只需從少數(shù)供應(yīng)商處購(gòu)買3D打印機(jī)及設(shè)計(jì)圖形文件，無(wú)需團(tuán)隊(duì)間的復(fù)雜協(xié)調(diào)，是基于CAD軟件自動(dòng)化的建造方式

經(jīng)濟(jì)效益

成本較低，但即使形成了規(guī)模化生產(chǎn)也不能降低成本

3D打印生產(chǎn)單獨(dú)大尺寸構(gòu)件再拼接組裝耗時(shí)長(zhǎng)，故應(yīng)考慮以整體單元進(jìn)行建造

社會(huì)效益

現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)力成本接近于0

住宅強(qiáng)度大幅增加，但材料的強(qiáng)度，穩(wěn)定，顏色穩(wěn)定性等仍待評(píng)估

施工現(xiàn)場(chǎng)幾乎不存在施工安全問(wèn)題

環(huán)境效益

可實(shí)現(xiàn)材料的反復(fù)利用，建筑垃圾的重新利用

（7）材料的凝固硬化。

材料的凝固硬化速度是打印建筑中一個(gè)不可避免的問(wèn)題。材料的凝固硬化速度一般受溫度的影響。在春夏秋季，如果溫度在14～28℃的范圍內(nèi)，那么不需要特殊處理就能正常固化。若溫度較低，介于5～14℃，則需要采用加速固化配比的方式保證材料的凝固硬化；若溫度較高，介于28～38℃的范圍內(nèi)，則需要延緩材料的凝固硬化時(shí)間以達(dá)到正常工藝的要求；若在北方嚴(yán)寒天氣，或冬季施工，在零下的溫度下時(shí)，材料的使用則需要配備嚴(yán)謹(jǐn)?shù)哪逃不桨敢赃_(dá)到施工的質(zhì)量要求。

3D打印建筑的應(yīng)用前景

（1）抗震建筑

在地震發(fā)生時(shí)，墻體和梁柱倒塌，將逃生人員壓在厚重的混凝土樓板下無(wú)法逃生，這是造成地震時(shí)人員傷亡的主要原因。在地震多發(fā)的鄰國(guó)日本，除在建筑基礎(chǔ)部分增加橡膠隔震支座外，還運(yùn)用了輕質(zhì)墻體，減輕墻體自重，降低逃生時(shí)被建筑構(gòu)件砸傷。3D打印建筑的空心墻體，大大減輕了墻體自重，在地震多發(fā)地區(qū)有g(shù)uang泛的應(yīng)用前景。雖然在現(xiàn)階段抵抗地震力作用較有效的措施是采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而3D打印建筑的抗震性能尚不明確。但是隨著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展和試驗(yàn)研究不斷改進(jìn)與完善，如何在3D打印建筑中增加豎直鋼筋，提高建筑的抗震性能的問(wèn)題也會(huì)迎刃而解。

（2）高層建筑

目前3D打印建筑的高度也僅局限于1 層～2層的小型建筑，如何提高3D打印機(jī)的高度、如何泵送打印材料是限制建筑打印高度的主要因素。如果解決了打印材料的垂直運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題，3D打印技術(shù)也可在高層建筑作業(yè)中發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，可以減少高空作業(yè)的工作人員，減少高空作業(yè)量，增強(qiáng)了施工過(guò)程中的安全系數(shù)。將3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)建筑施工方式相結(jié)合，把一些建筑構(gòu)件利用3D打印技術(shù)“打印”出來(lái)，在傳統(tǒng)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼接安裝，既可保證建筑主體結(jié)合的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、抗震性等綜合性能，也可縮短工期，加快施工進(jìn)度。

（3）非線性建筑

3D打印建筑是一種精細(xì)化數(shù)控操作的結(jié)果，其精細(xì)化程度也在逐步提高。這樣*的jing準(zhǔn)性可以將非線性建筑“打印”的更加細(xì)致，將連續(xù)流動(dòng)狀的形體表現(xiàn)的更加真實(shí)。彌補(bǔ)了因施工工藝導(dǎo)致實(shí)體建筑與效果圖的差距。使得一些通過(guò)傳統(tǒng)工藝無(wú)法實(shí)施的設(shè)計(jì)方案更加的表現(xiàn)出來(lái)。

（4）室內(nèi)裝飾

國(guó)內(nèi)現(xiàn)已建成的3D打印建筑的表面粗糙，樣式單一。但在英國(guó)的3D打印研究試驗(yàn)中，3D打印技術(shù)不僅能打印出毛坯房屋，還可以打印出精細(xì)的室內(nèi)裝飾雕刻。隨著國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，將3D打印技術(shù)運(yùn)用于室內(nèi)裝飾裝修，并與建筑設(shè)計(jì)一體化完成，將增強(qiáng)建筑的整體美感和統(tǒng)一性。