【解析】3D打印技術在建筑模型制作中的應用研究

作者：王韋
隨著科技水平的不斷發(fā)展和進步，一種新型的計算機圖形分析和數(shù)據(jù)化控制制造技術——3D打印技術應運而生，它是近年來發(fā)展起來的一種新興技術，已在機械、制造、醫(yī)療等行業(yè)有所發(fā)展，而在建筑行業(yè)的應用更是有著廣泛的作用，為建筑師設計和建造動態(tài)、復雜的形式提供了強大的技術手段，對建筑 業(yè)設計產生顛覆性影響。本文結合3D打印技術的國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢、在建筑設計模型應用中的優(yōu)劣勢，以及如何應用等問題展開研究討論，以其促進3D打印技術在建筑設計模型方面的真正實踐和運用。

3D打印即快速形成技術的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎的，可以運用多種材料，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造物體的技術。


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

一、3D打印技術的簡介和應用
從30年前研究3D打印技術以來，科技水平的不斷提高，邊緣技術的完善，時代變遷和發(fā)展，這項技術也越來越受到關注，那么究竟什么是3D打印技術呢？3D打印技術是將CAD、CAM、CNC、精密伺服驅動、光電子和新材料等先進技術集于一體，依據(jù)由CAD、PRO/E等軟件構造的產品三維模型對其進行分層切片，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劑或熱熔材料等，形成各面，逐步疊加成三維實體，它將一個復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。是美國第三次工業(yè)技術革命的產物，是一種制造技術。傳統(tǒng)的制造技術需要將制造材料放在固定的容器中進行澆筑，然后生產產品。而3D打印則是以數(shù)字模型文件為基礎運用塑料、金屬等粉末狀的可粘合材料，經過逐層打印構造而成。

一般分為三步來進行：其一是要有設計好的模型，在計算機相應的位置輸入設計數(shù)據(jù)。其二是運用計算機對設計的3D數(shù)據(jù)模型進行掃描和識別，在指令的操作之下，形成許多個單層圖像。最后一步是根據(jù)第二步中出現(xiàn)的多個單層圖像，按照指令將每一層的材料疊加上去，形成立體和現(xiàn)實的物品。運用3D打印技術進行建筑模型設計時不僅可以減少制造的時間，同時也能降低成本，無論其需要涉及的構造是否復雜，3D打印的設計都可以較快的設計出來。由此可見，3D打印技術具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?br />         3D打印技術的應用范圍非常廣泛。建筑設計、產品設計、機械制造、模具制造等都有普遍的應用，并且取得了較好的效果。隨著3D打印技術的不斷發(fā)展，它將在更多方面發(fā)揮著重要的作用。3D打印技術現(xiàn)在比較重要的應用領域是產品設計和建筑設計，產品設計方面，3D打印技術提供了一種新的產品開發(fā)模式。在建筑設計領域的應用，3D打印技術主要是運用在大型建筑的主體設計層面，通過這項技術幫助設計出建筑師最初的想法，完美的還原建筑。通過3D打印技術設計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打印在建筑設計模型應用中的優(yōu)劣勢
1、打印復雜結構的模型
在3D打印技術可以打印食品、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去得到這樣的零件，這樣對復雜的零部件來說加工起來非常困難。而3D打印技術可以打印非常復雜的零件。

2、3D打印建筑節(jié)約時間
時間就是金錢，效率就是生命，科技的進步正是提高效率的有效方法，3D打印技術進行建筑設計模型的應用時，可以直接將建筑模型進行多種層面的操作，元素自動生成，無需在進行浪費時間的復制工作，這樣可以使設計團隊的成員直接進行意念上的合作與對接。建筑的精髓在于設計，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。而當前3D打印機可在24小時內打印10棟200平方米的建筑。

3、3D打印建筑材料強度高
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構依次打印，最后呈“Z” 字形排列，一層一層的疊加，形成墻體，因此墻體結構是中空的。3D打印出的建筑材料強度高、質量輕，比起傳統(tǒng)建筑材料要有很大的優(yōu)勢，因其中空的“Z” 字形結構，產生一種三角形的穩(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)的浪費資源，破壞環(huán)境，新興的3D打印技術可以完全避免這些問題，因為這種技術是直接按照電腦的設計進行打印操作的，3D打印的材料來自于建筑垃圾、工業(yè)垃圾等，廢物利用，通過一些技術手段進行加工分離，產生了類似與普通打印機的“油墨”,過程中因為沒有沙子、石子、水泥等材料的運輸，從而不會產生揚塵，污染環(huán)境。并且不需要切割，一次成型。


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

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

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


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，高標號水泥和玻璃纖維等構成。而據(jù)了解，某些國家禁止建筑大量使用玻璃纖維，因為玻璃纖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打印機的精度問題
3D打印技術類似于擠牙膏，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行上一層打印，通過層與層之間的緊密粘結來保持墻體的整體性。精度越高則厚度越薄，精度不夠導致層與層之間不夠光滑，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，浪費資源污染環(huán)境，勢必進行改變，走可持續(xù)發(fā)展道路。3D打印建筑技術不僅可以更有效地利用混凝土材料，以及其他一些廢料，精細化生產，而且更能夠大幅度提高建筑物結構強度，此舉無疑又大大減少了建筑垃圾的產生，不浪費，不污染環(huán)境。因此，研究探討出符合需求的新時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、鎂質膠凝材料等，以滿足3D打印的需要，并且還有可能會生產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，因為不能以現(xiàn)在的混凝土標準來衡量。
        
其次，在配合比設計方面，可能還需要有新的理論來支持。因為3D打印所需要的混凝土已經不同于傳統(tǒng)的混凝土，混凝土各項性能發(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，目前的混凝土強度理論、耐久性能理論、水化作用理論等均不能適應要求。為獲得更高的強度，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，新的配合比設計方法，建立新的計算模型，以及硬化理論模型、服役壽命預測模型等。
        
可以預見在今后很長一段時間內3D打印仍然將被人們廣泛關注。由于看好3D打印技術所表現(xiàn)出來的廣闊的應用前景，許多國家紛紛出臺本國的3D打印發(fā)展規(guī)劃，布局3D打印產業(yè)。3D打印技術在建筑領域的應用研究剛剛開始，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、耐久性能則需要進行專門的設計和評估。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桿。