3D打印——建筑篇之优缺点与应用前景_上海长肯供

3D打印——建筑篇之优缺点与应用前景

3D打印的优缺点

3D打印不仅是一种全新的建筑方式，更可能是一种颠覆传统的建筑模式。与传统建筑技术相比，3D打印建筑的优势主要体现在以下方面：更快的打印速度，更高的建筑效率；不再需要使用模板，可以大幅节约成本；更加绿色环保，减少建筑垃圾和建筑粉尘，降低噪声污染；减少建筑工人的使用，降低工人的劳动强度；节省建筑材料的同时，内部结构还可以根据需求运用声学、力学等原理做到*化；可以给建筑设计师更广阔的设计空间，突破现行的设计理念，设计打印出传统建筑技术无法完成的复杂形状的建筑。

3D打印建筑的优点归纳起来有以下几点：

（1）施工工期短，施工过程无污染

当前我国的3D打印机可以在yi天时间内完成10幢200 m2的建筑，这是传统建筑方式所不能达到的速度。整个“打印”过程，只需要一台3D打印机、一台计算机、3 人~ 5 人以及打印所需的材料。将图纸录入电脑，根据图纸以及相关数据，可以快速jing准的完成建筑墙体、楼板的“打印”。打印所需原料是经技术处理过的牙膏状的新型混凝土混合材料，建筑3D打印机的喷头工作方式与制作蛋糕时的奶油裱花工艺相似，打印材料从喷头中喷出。这样简单的材料，一改日常建筑施工现场尘土飞扬、作业噪声大的糟糕施工环境，减少了材料、构件的运输。在建筑领域guang泛的运用3D打印技术，可将建筑能耗从70%降至30%。施工过程经济环保，传统建造工艺在此方面只能是*。

（2）材料环保，成本低

从综合媒体对3D打印建筑的报道得知，3D打印所需的材料是回收可利用的建筑垃圾，将其处理、加工、分离后，再与高强混凝土以一定比例相配合而形成3D打印建筑的材料。与传统的人工砌筑相比，3D打印建筑避免了因尺寸差别而进行材料切割所造成的浪费。一次成型，避免返工。这些优点在如今提倡节能减排，绿色低碳的可持续发展的社会环境中是值得提倡和发展的。3D打印的建造模式极大的减少了人工成本、运输成本、管理成本等，较传统建筑方式相比可降低50%。

（3）墙体自重轻

3D打印建筑所打印出来的墙体是空心的，为保证其结构支撑性能在中间添加“z”形支撑(见图2.8) 。中间可添加泡沫材料以达到保温隔热、降噪吸声的目的。相比钢筋混凝土实心墙体，3D打印建筑的墙体要轻许多。

（4）提高质量

D打印的产品是无缝衔接的，结构稳固性和连接强度远高于传统建筑。据测算3D打印建筑结构的zui高强度能达到10000PSI (约合69.0MPa) ，而传统人工建成的建筑结构强度一般只有3000PSI(约合20.7MPa) 。3D打印机可*听从电脑程序，顺序打印完一层自动爬上另一层，比人工建造更加，保证了结构的稳定性; 同时会依据的计算及坚固的材料确保房屋质量。住宅产业化较传统建造方式在房屋质量方面已经有了提高，改善了房屋渗漏、开裂等一些问题，引进3D打印技术后会更进一步提高住宅的质量。   

（5）有利于环境保护

相比其他传统的建筑工艺，3D打印建筑技术更加环保。例如建造观景房过程中不再需要将水泥和木材运输至建筑工地，每一个设计只需要少量的原材料，因此使用原材料减少从而减少了浪费，并且suo有材料都可以熔化回收利用。甚至可以用3D打印机打印太阳能电池板直接铺于房屋外层。因此，将3D打印技术应用于住宅产业化将更加有利于环境保护。

（6）降低施工作业危险性

用3D打印技术建造房屋将比现在的建筑技术更加安全，降低了施工现场高空坠落、坍塌、物体打击的事故。美国每年因为施工现场作业导致数万建筑工人受伤、数千名建筑工人死亡，使用3D打印机技术建造房屋将会降低施工作业的危险，使工人工作环境更加安全。

（7）建造出复杂、特殊、个性化的建筑产品3D打印技术打印

越复杂的东西越能凸显出它的竞争优势，在建筑领域，当建筑师的一些奇思妙想的设计方案用传统的建筑方式无法完成时，3D打印可以将其设计想法变成现实。无论怎样复杂的结构设计，只要能将其图纸画出来，利用3D打印技术便可一次成型，解决了传统建造方式无法突破的难题。

（8）快速解决人口居住问题

由于棚户区的不断膨胀，快速的城镇化，经济停滞萧条，高失业率，贫穷，自然灾害和社会矛盾等问题将为整个社会带来严重威胁。快速打印廉价的生存空间可能是解决这个社会快速变革所带来的人口居住问题的部分解决方案。理论上，3D打印的增材制造是替代棚户区的解决方案。成本低廉，也无需太多人工，多数的建造过程由自动化机器人完成。

3D打印建筑的缺点有：

（1）材料结构性能不确定

目前已经问世的3D打印建筑多数为1 层~2层低矮的建筑，少数为多层住宅，但材料的耐久性、刚度、强度、承载力极限值等重要指标能否满足建筑行业内的规范还有待确定。打印出来的建筑能伫立多久、能使用多久仍然是未知数。3D打印建筑是水平逐层打印，缺少纵向钢筋，所以打印出来的建筑能承受多dadizhen力荷载的作用也还没有相关的实验数据。

（2）行业内缺少相关规范

3D打印技术的理念提出于20世纪，在21世纪得以实现并加速发展。从时间来看3D打印似乎是经历了很长时间。但3D打印建筑却是一个全新的领域，建筑行业内还没有任何相关的规范条例。使用年限和房屋产权等一系列问题都没有部门的认可。

（3）建筑的表面粗糙

3D打印技术运用逐层堆叠的原理。打印层后，需要在等其牙膏状打印材料固化之后再进行下一层打印。通过层间紧密粘结保持墙体的整体性。也正是因为底层材料固化之后上层材料才可以叠加，导致两层材料之间不能光滑过度，使得表面粗糙，并且只能形成样式简单且单一的条纹。若不进行外装及室内装修，会影响建筑外立面的美观性。

（4）技术研发还不够成熟

3D打印技术目前还处于初级阶段，制约其发展的关键因素之一是3D打印所消耗的材料，因此该技术成为主流生产建造技术还需要各方面技术的提高[12]。另外3D打印耗时也是需要解决的技术难题之一，通常打印大尺寸零件需要好几天时间，甚至一个小的螺母也要打印十几分钟，所以3D打印技术目前并不适合大批量的生产，从长远来看，3D打印技术提高生产效率的关键还是打印耗时。同时，目前3D打印只局限于使用一种材料进行打印，在结合多种材料进行打印的技术水平方面还有待提高。同时，使用的电力是在工厂里的10倍，以及还没有找到在重量强度和耐久性等都很理想的材料。

（5）宏观规划和投入不足

我国在先进制造业的发展、工业化生产转型等规划中对3D打印产业重视不足，目前我国小规模企业普遍没有足够的资金进行技术研发，阻碍了这些企业掌握3D打印的核心技术，故目前将3D打印技术应用于打印建筑还是困难重重。

（6）技术人才的短缺

3D打印技术融合了很多学科专业知识，要将3D打印技术应用于建筑业需要培养型人才，而我国目前在这方面还有些欠缺。例如无法购置足够数量的设备，应用研究领域也较窄，学校教学中缺乏和3D打印技术相关课程，政府也缺乏相应的宣传和培训。3D打印建筑特点见表2.2。

表2.2  3D 打印建筑特点

3D打印建筑

生产技术

基于CAD图形文件

自动化增材制造

可在现场或工厂整体或分部分打印再拼装

较容易通过客户反馈及时修改建筑设计方案

供应链

只需从少数供应商处购买3D打印机及设计图形文件，无需团队间的复杂协调，是基于CAD软件自动化的建造方式

经济效益

成本较低，但即使形成了规模化生产也不能降低成本

3D打印生产单独大尺寸构件再拼接组装耗时长，故应考虑以整体单元进行建造

社会效益

现场劳动力成本接近于0

住宅强度大幅增加，但材料的强度，稳定，颜色稳定性等仍待评估

施工现场几乎不存在施工安全问题

环境效益

可实现材料的反复利用，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个不可避免的问题。材料的凝固硬化速度一般受温度的影响。在春夏秋季，如果温度在14～28℃的范围内，那么不需要特殊处理就能正常固化。若温度较低，介于5～14℃，则需要采用加速固化配比的方式保证材料的凝固硬化；若温度较高，介于28～38℃的范围内，则需要延缓材料的凝固硬化时间以达到正常工艺的要求；若在北方严寒天气，或冬季施工，在零下的温度下时，材料的使用则需要配备严谨的凝固硬化方案以达到施工的质量要求。

3D打印建筑的应用前景

（1）抗震建筑

在地震发生时，墙体和梁柱倒塌，将逃生人员压在厚重的混凝土楼板下无法逃生，这是造成地震时人员伤亡的主要原因。在地震多发的邻国日本，除在建筑基础部分增加橡胶隔震支座外，还运用了轻质墙体，减轻墙体自重，降低逃生时被建筑构件砸伤。3D打印建筑的空心墙体，大大减轻了墙体自重，在地震多发地区有guang泛的应用前景。虽然在现阶段抵抗地震力作用较有效的措施是采用钢筋混凝土结构，而3D打印建筑的抗震性能尚不明确。但是随着科学技术的蓬勃发展和试验研究不断改进与完善，如何在3D打印建筑中增加竖直钢筋，提高建筑的抗震性能的问题也会迎刃而解。

（2）高层建筑

目前3D打印建筑的高度也仅局限于1 层～2层的小型建筑，如何提高3D打印机的高度、如何泵送打印材料是限制建筑打印高度的主要因素。如果解决了打印材料的垂直运输的问题，3D打印技术也可在高层建筑作业中发挥其优势，可以减少高空作业的工作人员，减少高空作业量，增强了施工过程中的安全系数。将3D打印技术与传统建筑施工方式相结合，把一些建筑构件利用3D打印技术“打印”出来，在传统施工现场进行拼接安装，既可保证建筑主体结合的刚度、强度、稳定性、抗震性等综合性能，也可缩短工期，加快施工进度。

（3）非线性建筑

3D打印建筑是一种精细化数控操作的结果，其精细化程度也在逐步提高。这样*的jing准性可以将非线性建筑“打印”的更加细致，将连续流动状的形体表现的更加真实。弥补了因施工工艺导致实体建筑与效果图的差距。使得一些通过传统工艺无法实施的设计方案更加的表现出来。

（4）室内装饰

国内现已建成的3D打印建筑的表面粗糙，样式单一。但在英国的3D打印研究试验中，3D打印技术不仅能打印出毛坯房屋，还可以打印出精细的室内装饰雕刻。随着国内3D打印技术的不断发展，将3D打印技术运用于室内装饰装修，并与建筑设计一体化完成，将增强建筑的整体美感和统一性。