【解析】3D打印技術(shù)在建筑模型制作中的應(yīng)用研究

作者：王韋
隨著科技水平的不斷發(fā)展和進(jìn)步，一種新型的計(jì)算機(jī)圖形分析和數(shù)據(jù)化控制制造技術(shù)——3D打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它是近年來發(fā)展起來的一種新興技術(shù)，已在機(jī)械、制造、醫(yī)療等行業(yè)有所發(fā)展，而在建筑行業(yè)的應(yīng)用更是有著廣泛的作用，為建筑師設(shè)計(jì)和建造動態(tài)、復(fù)雜的形式提供了強(qiáng)大的技術(shù)手段，對建筑 業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)生顛覆性影響。本文結(jié)合3D打印技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢、在建筑設(shè)計(jì)模型應(yīng)用中的優(yōu)劣勢，以及如何應(yīng)用等問題展開研究討論，以其促進(jìn)3D打印技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)模型方面的真正實(shí)踐和運(yùn)用。

3D打印即快速形成技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)的，可以運(yùn)用多種材料，例如粉末狀金屬或者塑料或者水泥等可粘合材料，利用通層打印方法來構(gòu)造物體的技術(shù)。


1986年，美國加州的工程師查克•赫爾研制出第一臺3D打印機(jī)，3D打印帶來許多行業(yè)的革命性改變，并影響到建筑業(yè)。在以前生產(chǎn)的部件，其精度取決于生產(chǎn)設(shè)備是否先進(jìn)、以及現(xiàn)在生產(chǎn)工藝能夠?qū)崿F(xiàn)。3D打印機(jī)將改變這一觀點(diǎn)，使企業(yè)不在依賴生產(chǎn)設(shè)備、工藝的水平，任何精度的零件、形狀都可以通過3D打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

一、3D打印技術(shù)的簡介和應(yīng)用
從30年前研究3D打印技術(shù)以來，科技水平的不斷提高，邊緣技術(shù)的完善，時(shí)代變遷和發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)也越來越受到關(guān)注，那么究竟什么是3D打印技術(shù)呢？3D打印技術(shù)是將CAD、CAM、CNC、精密伺服驅(qū)動、光電子和新材料等先進(jìn)技術(shù)集于一體，依據(jù)由CAD、PRO/E等軟件構(gòu)造的產(chǎn)品三維模型對其進(jìn)行分層切片，得到各層截面的輪廓。按照這些輪廓，激光束選擇性地噴射，固化一層層液態(tài)樹脂（或金屬粉末）或噴射源選擇性地噴涂一層層的粘結(jié)劑或熱熔材料等，形成各面，逐步疊加成三維實(shí)體，它將一個(gè)復(fù)雜的三維加工簡化成一系列二維加工的組合。它也被稱為增材制造技術(shù)。是美國第三次工業(yè)技術(shù)革命的產(chǎn)物，是一種制造技術(shù)。傳統(tǒng)的制造技術(shù)需要將制造材料放在固定的容器中進(jìn)行澆筑，然后生產(chǎn)產(chǎn)品。而3D打印則是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)運(yùn)用塑料、金屬等粉末狀的可粘合材料，經(jīng)過逐層打印構(gòu)造而成。

一般分為三步來進(jìn)行：其一是要有設(shè)計(jì)好的模型，在計(jì)算機(jī)相應(yīng)的位置輸入設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。其二是運(yùn)用計(jì)算機(jī)對設(shè)計(jì)的3D數(shù)據(jù)模型進(jìn)行掃描和識別，在指令的操作之下，形成許多個(gè)單層圖像。最后一步是根據(jù)第二步中出現(xiàn)的多個(gè)單層圖像，按照指令將每一層的材料疊加上去，形成立體和現(xiàn)實(shí)的物品。運(yùn)用3D打印技術(shù)進(jìn)行建筑模型設(shè)計(jì)時(shí)不僅可以減少制造的時(shí)間，同時(shí)也能降低成本，無論其需要涉及的構(gòu)造是否復(fù)雜，3D打印的設(shè)計(jì)都可以較快的設(shè)計(jì)出來。由此可見，3D打印技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?br />         3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛。建筑設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、模具制造等都有普遍的應(yīng)用，并且取得了較好的效果。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，它將在更多方面發(fā)揮著重要的作用。3D打印技術(shù)現(xiàn)在比較重要的應(yīng)用領(lǐng)域是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和建筑設(shè)計(jì)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，3D打印技術(shù)提供了一種新的產(chǎn)品開發(fā)模式。在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用，3D打印技術(shù)主要是運(yùn)用在大型建筑的主體設(shè)計(jì)層面，通過這項(xiàng)技術(shù)幫助設(shè)計(jì)出建筑師最初的想法，完美的還原建筑。通過3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)的建筑模型不僅逼真，而且有利于成本的降低，節(jié)省人力和物力。

二、3D打印在建筑設(shè)計(jì)模型應(yīng)用中的優(yōu)劣勢
1、打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型
在3D打印技術(shù)可以打印食品、玩具、汽車的今天，它還在創(chuàng)造無限的可能。 首先3D打印技術(shù)可以加工傳統(tǒng)方法難以制造的零件。過去傳統(tǒng)的制造方法就是一個(gè)毛坯，把不需要的地方切除掉，或者采用模具，把金屬和塑料融化灌進(jìn)去得到這樣的零件，這樣對復(fù)雜的零部件來說加工起來非常困難。而3D打印技術(shù)可以打印非常復(fù)雜的零件。

2、3D打印建筑節(jié)約時(shí)間
時(shí)間就是金錢，效率就是生命，科技的進(jìn)步正是提高效率的有效方法，3D打印技術(shù)進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)模型的應(yīng)用時(shí)，可以直接將建筑模型進(jìn)行多種層面的操作，元素自動生成，無需在進(jìn)行浪費(fèi)時(shí)間的復(fù)制工作，這樣可以使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的成員直接進(jìn)行意念上的合作與對接。建筑的精髓在于設(shè)計(jì)，那么施工如果能做到完美。一棟幾十層高的樓，普通施工，大概需要半年至一年才能施工完畢。而當(dāng)前3D打印機(jī)可在24小時(shí)內(nèi)打印10棟200平方米的建筑。

3、3D打印建筑材料強(qiáng)度高
3D打印建筑的墻體與傳統(tǒng)建筑的墻體具有很大的不同，3D打印的噴口按照螺紋結(jié)構(gòu)依次打印，最后呈“Z” 字形排列，一層一層的疊加，形成墻體，因此墻體結(jié)構(gòu)是中空的。3D打印出的建筑材料強(qiáng)度高、質(zhì)量輕，比起傳統(tǒng)建筑材料要有很大的優(yōu)勢，因其中空的“Z” 字形結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生一種三角形的穩(wěn)定支撐，從而抗震效果也會更好。

4、3D打印建筑更加環(huán)保，綠色
相比于傳統(tǒng)制造業(yè)的浪費(fèi)資源，破壞環(huán)境，新興的3D打印技術(shù)可以完全避免這些問題，因?yàn)檫@種技術(shù)是直接按照電腦的設(shè)計(jì)進(jìn)行打印操作的，3D打印的材料來自于建筑垃圾、工業(yè)垃圾等，廢物利用，通過一些技術(shù)手段進(jìn)行加工分離，產(chǎn)生了類似與普通打印機(jī)的“油墨”,過程中因?yàn)闆]有沙子、石子、水泥等材料的運(yùn)輸，從而不會產(chǎn)生揚(yáng)塵，污染環(huán)境。并且不需要切割，一次成型。


除了上述的優(yōu)點(diǎn)之外，3D打印建筑模型也存在著一些不足和需要改進(jìn)之處，主要有以下幾個(gè)方面：

1、3D打印技術(shù)不夠成熟
據(jù)統(tǒng)計(jì)，3D打印機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)品中80%依舊是產(chǎn)品原型，僅有20%是最終產(chǎn)品。自3D打印機(jī)技術(shù)在80年代產(chǎn)生以來，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，在21世紀(jì)初已取得不小的進(jìn)步，比如材料增多、打印機(jī)和原材料價(jià)格逐漸下降，但是目前來看，這依舊是一項(xiàng)年輕的技術(shù)，在沒有變得更加成熟和廉價(jià)前，并不會被企業(yè)大規(guī)模采用。

2、3D打印技術(shù)沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
目前3D打印建筑仍處在研究探索階段，。但是在建筑行業(yè)需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，通過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)才能全面的推廣起來。例如根據(jù)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)，沒有鋼筋就不能驗(yàn)收，但3D打印建筑可以不需要鋼筋，因此行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)很重要。


3、3D打印材料選擇問題
3D打印在建筑新材料是一種建筑工藝上的開拓，不過3D打印房屋要想真正普及，恐怕還需斟酌。比如3D打印的“油墨”主要是由建筑廢料做材料，高標(biāo)號水泥和玻璃纖維等構(gòu)成。而據(jù)了解，某些國家禁止建筑大量使用玻璃纖維，因?yàn)椴ＡЮw維對人體的呼吸系統(tǒng)有影響。所以，材料也需要慎重選擇。3D打印建筑材料需要有流動性，同時(shí)還需要考慮到溫度因素，若流動性大，則打印過程中材料無法堆疊，流動性小，則容易堵塞打印頭。


4、3D打印機(jī)的精度問題
3D打印技術(shù)類似于擠牙膏，采用的是逐層堆疊。第一層打印完成后，必須等第一層打印材料凝固硬化后再進(jìn)行上一層打印，通過層與層之間的緊密粘結(jié)來保持墻體的整體性。精度越高則厚度越薄，精度不夠?qū)е聦优c層之間不夠光滑，表面粗糙，并且條紋樣式也很單一。


三、 發(fā)展與展望
3D打印建筑技術(shù)會對環(huán)保、建筑業(yè)、混凝土等行業(yè)帶來改變�，F(xiàn)行我國的水泥行業(yè)還是粗獷性發(fā)展，浪費(fèi)資源污染環(huán)境，勢必進(jìn)行改變，走可持續(xù)發(fā)展道路。3D打印建筑技術(shù)不僅可以更有效地利用混凝土材料，以及其他一些廢料，精細(xì)化生產(chǎn)，而且更能夠大幅度提高建筑物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，此舉無疑又大大減少了建筑垃圾的產(chǎn)生，不浪費(fèi)，不污染環(huán)境。因此，研究探討出符合需求的新時(shí)期商品混凝土是十分必要的。

      

首先，商品混凝土的原材料將會變得更加廣泛，材料最核心的要求是上一層打出來以后，下一層不能變形，不能坍塌， 比如膠凝材料可能采用特種水泥、樹脂、鎂質(zhì)膠凝材料等，以滿足3D打印的需要，并且還有可能會生產(chǎn)出新的完全不同于現(xiàn)在的材料；外加劑也可能會從根本上發(fā)生改變，因?yàn)椴荒芤袁F(xiàn)在的混凝土標(biāo)準(zhǔn)來衡量。
        
其次，在配合比設(shè)計(jì)方面，可能還需要有新的理論來支持。因?yàn)?D打印所需要的混凝土已經(jīng)不同于傳統(tǒng)的混凝土，混凝土各項(xiàng)性能發(fā)生了巨大變化，不是簡單的水灰比、砂率等所能決定的了，其硬化、收縮性能發(fā)生根本性改變，目前的混凝土強(qiáng)度理論、耐久性能理論、水化作用理論等均不能適應(yīng)要求。為獲得更高的強(qiáng)度，更好的耐久性，更完美的拌合物性能，更快的硬化速度和性能，需要從新的角度去發(fā)現(xiàn)理論，新的配合比設(shè)計(jì)方法，建立新的計(jì)算模型，以及硬化理論模型、服役壽命預(yù)測模型等。
        
可以預(yù)見在今后很長一段時(shí)間內(nèi)3D打印仍然將被人們廣泛關(guān)注。由于看好3D打印技術(shù)所表現(xiàn)出來的廣闊的應(yīng)用前景，許多國家紛紛出臺本國的3D打印發(fā)展規(guī)劃，布局3D打印產(chǎn)業(yè)。3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用研究剛剛開始，還存在許多亟待解決的問題，比如適合3D打印的建筑材料的研究，是仍然使用混凝土還是開發(fā)其他種類的建筑材料，如果使用混凝土，混凝土的工作性能、耐久性能則需要進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)和評估。3D打印建筑還有很長的路要走，但是毋庸置疑的是，3D打印建筑一定會成為未來世界的新標(biāo)桿。