3D列印技術在建築模型製作中的應用研究

隨著科技水平的不斷發展和進步，一種新型的計算機圖形分析和數據化控制製造技術——3D列印技術應運而生，它是近年來發展起來的一種新興技術，已在機械、製造、醫療等行業有所發展，而在建築行業的應用更是有著廣泛的作用，為建築師設計和建造動態、複雜的形式提供了強大的技術手段，對建築 業設計產生顛覆性影響。本文結合3D列印技術的國內外研究現狀及發展趨勢、在建築設計模型應用中的優劣勢，以及如何應用等問題展開研究討論，以其促進3D列印技術在建築設計模型方面的真正實踐和運用。

3D列印即快速形成技術的一種，它是一種以數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，利用通層列印方法來構造物體的技術。

1986年，美國加州的工程師查克?赫爾研製出第一台3D印表機，3D列印帶來許多行業的革命性改變，並影響到建築業。在以前生產的部件，其精度取決於生產設備是否先進、以及現在生產工藝能夠實現。3D印表機將改變這一觀點，使企業不在依賴生產設備、工藝的水平，任何精度的零件、形狀都可以通過3D印表機來實現。

一、3D列印技術的簡介和應用

從30年前研究3D列印技術以來，科技水平的不斷提高，邊緣技術的完善，時代變遷和發展，這項技術也越來越受到關注，那麼究竟什麼是3D列印技術呢？3D列印技術是將CAD、CAM、CNC、精密伺服驅動、光電子和新材料等先進技術集於一體，依據由CAD、PRO/E等軟體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，固化一層層液態樹脂（或金屬粉末）或噴射源選擇性地噴塗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，它將一個複雜的三維加工簡化成一系列二維加工的組合。它也被稱為增材製造技術。是美國第三次工業技術革命的產物，是一種製造技術。傳統的製造技術需要將製造材料放在固定的容器中進行澆築，然後生產產品。而3D列印則是以數字模型文件為基礎運用塑料、金屬等粉末狀的可粘合材料，經過逐層列印構造而成。

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據。其二是運用計算機對設計的3D數據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。最後一步是根據第二步中出現的多個單層圖像，按照指令將每一層的材料疊加上去，形成立體和現實的物品。運用3D列印技術進行建築模型設計時不僅可以減少製造的時間，同時也能降低成本，無論其需要涉及的構造是否複雜，3D列印的設計都可以較快的設計出來。由此可見，3D列印技術具有很大的發展潛力。

3D列印技術的應用範圍非常廣泛。建築設計、產品設計、機械製造、模具製造等都有普遍的應用，並且取得了較好的效果。隨著3D列印技術的不斷發展，它將在更多方面發揮著重要的作用。3D列印技術現在比較重要的應用領域是產品設計和建築設計，產品設計方面，3D列印技術提供了一種新的產品開發模式。在建築設計領域的應用，3D列印技術主要是運用在大型建築的主體設計層面，通過這項技術幫助設計出建築師最初的想法，完美的還原建築。通過3D列印技術設計的建築模型不僅逼真，而且有利於成本的降低，節省人力和物力。

二、3D列印在建築設計模型應用中的優劣勢

1、列印複雜結構的模型

在3D列印技術可以列印食品、玩具、汽車的今天，它還在創造無限的可能。 首先3D列印技術可以加工傳統方法難以製造的零件。過去傳統的製造方法就是一個毛坯，把不需要的地方切除掉，或者採用模具，把金屬和塑料融化灌進去得到這樣的零件，這樣對複雜的零部件來說加工起來非常困難。而3D列印技術可以列印非常複雜的零件。

2、3D列印建築節約時間

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列印技術進行建築設計模型的應用時，可以直接將建築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複製工作，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。建築的精髓在於設計，那麼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印表機可在24小時內列印10棟200平方米的建築。

3、3D列印建築材料強度高

3D列印建築的牆體與傳統建築的牆體具有很大的不同，3D列印的噴口按照螺紋結構依次列印，最後呈「Z」 字形排列，一層一層的疊加，形成牆體，因此牆體結構是中空的。3D列印出的建築材料強度高、質量輕，比起傳統建築材料要有很大的優勢，因其中空的「Z」 字形結構，產生一種三角形的穩定支撐，從而抗震效果也會更好。

4、3D列印建築更加環保，綠色

相比於傳統製造業的浪費資源，破壞環境，新興的3D列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列印操作的，3D列印的材料來自於建築垃圾、工業垃圾等，廢物利用，通過一些技術手段進行加工分離，產生了類似與普通印表機的「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，污染環境。並且不需要切割，一次成型。

除了上述的優點之外，3D列印建築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列印技術不夠成熟

據統計，3D印表機生產的產品中80%依舊是產品原型，僅有20%是最終產品。自3D印表機技術在80年代產生以來，經過數十年的發展，在21世紀初已取得不小的進步，比如材料增多、印表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，並不會被企業大規模採用。

2、3D列印技術沒有行業標準

目前3D列印建築仍處在研究探索階段，。但是在建築行業需要一個標準，通過這個標準才能全面的推廣起來。例如根據現行的標準，沒有鋼筋就不能驗收，但3D列印建築可以不需要鋼筋，因此行業標準很重要。

3、3D列印材料選擇問題

3D列印在建築新材料是一種建築工藝上的開拓，不過3D列印房屋要想真正普及，恐怕還需斟酌。比如3D列印的「油墨」主要是由建築廢料做材料，高標號水泥和玻璃纖維等構成。而據了解，某些國家禁止建築大量使用玻璃纖維，因為玻璃纖維對人體的呼吸系統有影響。所以，材料也需要慎重選擇。3D列印建築材料需要有流動性，同時還需要考慮到溫度因素，若流動性大，則列印過程中材料無法堆疊，流動性小，則容易堵塞列印頭。

4、3D印表機的精度問題

3D列印技術類似於擠牙膏，採用的是逐層堆疊。第一層列印完成後，必須等第一層列印材料凝固硬化後再進行上一層列印，通過層與層之間的緊密粘結來保持牆體的整體性。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，並且條紋樣式也很單一。

三、 發展與展望

3D列印建築技術會對環保、建築業、混凝土等行業帶來改變。現行我國的水泥行業還是粗獷性發展，浪費資源污染環境，勢必進行改變，走可持續發展道路。3D列印建築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築物結構強度，此舉無疑又大大減少了建築垃圾的產生，不浪費，不污染環境。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後，下一層不能變形，不能坍塌， 比如膠凝材料可能採用特種水泥、樹脂、鎂質膠凝材料等，以滿足3D列印的需要，並且還有可能會生產出新的完全不同於現在的材料；外加劑也可能會從根本上發生改變，因為不能以現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列印所需要的混凝土已經不同於傳統的混凝土，混凝土各項性能發生了巨大變化，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現理論，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。

可以預見在今後很長一段時間內3D列印仍然將被人們廣泛關注。由於看好3D列印技術所表現出來的廣闊的應用前景，許多國家紛紛出台本國的3D列印發展規劃，布局3D列印產業。3D列印技術在建築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列印的建築材料的研究，是仍然使用混凝土還是開發其他種類的建築材料，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列印建築還有很長的路要走，但是毋庸置疑的是，3D列印建築一定會成為未來世界的新標杆。（王偉，南極熊）

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