3D打印——建筑篇之優缺點與應用前景

3D打印的優缺點

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的建筑模式。與傳統建筑技術相比，3D打印建筑的優勢主要體現在以下方面：更快的打印速度，更高的建筑效率；不再需要使用模板，可以大幅節約成本；更加綠色環保，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，降低工人的勞動強度；節省建筑材料的同時，內部結構還可以根據需求運用聲學、力學等原理做到*化；可以給建筑設計師更廣闊的設計空間，突破現行的設計理念，設計打印出傳統建筑技術無法完成的復雜形狀的建筑。

3D打印建筑的優點歸納起來有以下幾點：

（1）施工工期短，施工過程無污染

當前我國的3D打印機可以在yi天時間內完成10幢200 m2的建筑，這是傳統建筑方式所不能達到的速度。整個“打印”過程，只需要一臺3D打印機、一臺計算機、3 人~ 5 人以及打印所需的材料。將圖紙錄入電腦，根據圖紙以及相關數據，可以快速jing準的完成建筑墻體、樓板的“打印”。打印所需原料是經技術處理過的牙膏狀的新型混凝土混合材料，建筑3D打印機的噴頭工作方式與制作蛋糕時的奶油裱花工藝相似，打印材料從噴頭中噴出。這樣簡單的材料，一改日常建筑施工現場塵土飛揚、作業噪聲大的糟糕施工環境，減少了材料、構件的運輸。在建筑領域guang泛的運用3D打印技術，可將建筑能耗從70%降至30%。施工過程經濟環保，傳統建造工藝在此方面只能是*。

（2）材料環保，成本低

從綜合媒體對3D打印建筑的報道得知，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。與傳統的人工砌筑相比，3D打印建筑避免了因尺寸差別而進行材料切割所造成的浪費。一次成型，避免返工。這些優點在如今提倡節能減排，綠色低碳的可持續發展的社會環境中是值得提倡和發展的。3D打印的建造模式極大的減少了人工成本、運輸成本、管理成本等，較傳統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的墻體是空心的，為保證其結構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到保溫隔熱、降噪吸聲的目的。相比鋼筋混凝土實心墻體，3D打印建筑的墻體要輕許多。

（4）提高質量

D打印的產品是無縫銜接的，結構穩固性和連接強度遠高于傳統建筑。據測算3D打印建筑結構的zui高強度能達到10000PSI (約合69.0MPa) ，而傳統人工建成的建筑結構強度一般只有3000PSI(約合20.7MPa) 。3D打印機可*聽從電腦程序，順序打印完一層自動爬上另一層，比人工建造更加，保證了結構的穩定性; 同時會依據的計算及堅固的材料確保房屋質量。住宅產業化較傳統建造方式在房屋質量方面已經有了提高，改善了房屋滲漏、開裂等一些問題，引進3D打印技術后會更進一步提高住宅的質量。   

（5）有利于環境保護

相比其他傳統的建筑工藝，3D打印建筑技術更加環保。例如建造觀景房過程中不再需要將水泥和木材運輸至建筑工地，每一個設計只需要少量的原材料，因此使用原材料減少從而減少了浪費，并且suo有材料都可以熔化回收利用。甚至可以用3D打印機打印太陽能電池板直接鋪于房屋外層。因此，將3D打印技術應用于住宅產業化將更加有利于環境保護。

（6）降低施工作業危險性

用3D打印技術建造房屋將比現在的建筑技術更加安全，降低了施工現場高空墜落、坍塌、物體打擊的事故。美國每年因為施工現場作業導致數萬建筑工人受傷、數千名建筑工人死亡，使用3D打印機技術建造房屋將會降低施工作業的危險，使工人工作環境更加安全。

（7）建造出復雜、特殊、個性化的建筑產品3D打印技術打印

越復雜的東西越能凸顯出它的競爭優勢，在建筑領域，當建筑師的一些奇思妙想的設計方案用傳統的建筑方式無法完成時，3D打印可以將其設計想法變成現實。無論怎樣復雜的結構設計，只要能將其圖紙畫出來，利用3D打印技術便可一次成型，解決了傳統建造方式無法突破的難題。

（8）快速解決人口居住問題

由于棚戶區的不斷膨脹，快速的城鎮化，經濟停滯蕭條，高失業率，貧窮，自然災害和社會矛盾等問題將為整個社會帶來嚴重威脅。快速打印廉價的生存空間可能是解決這個社會快速變革所帶來的人口居住問題的部分解決方案。理論上，3D打印的增材制造是替代棚戶區的解決方案。成本低廉，也無需太多人工，多數的建造過程由自動化機器人完成。

3D打印建筑的缺點有：

（1）材料結構性能不確定

目前已經問世的3D打印建筑多數為1 層~2層低矮的建筑，少數為多層住宅，但材料的耐久性、剛度、強度、承載力極限值等重要指標能否滿足建筑行業內的規范還有待確定。打印出來的建筑能佇立多久、能使用多久仍然是未知數。3D打印建筑是水平逐層打印，缺少縱向鋼筋，所以打印出來的建筑能承受多dadizhen力荷載的作用也還沒有相關的實驗數據。

（2）行業內缺少相關規范

3D打印技術的理念提出于20世紀，在21世紀得以實現并加速發展。從時間來看3D打印似乎是經歷了很長時間。但3D打印建筑卻是一個全新的領域，建筑行業內還沒有任何相關的規范條例。使用年限和房屋產權等一系列問題都沒有部門的認可。

（3）建筑的表面粗糙

3D打印技術運用逐層堆疊的原理。打印層后，需要在等其牙膏狀打印材料固化之后再進行下一層打印。通過層間緊密粘結保持墻體的整體性。也正是因為底層材料固化之后上層材料才可以疊加，導致兩層材料之間不能光滑過度，使得表面粗糙，并且只能形成樣式簡單且單一的條紋。若不進行外裝及室內裝修，會影響建筑外立面的美觀性。

（4）技術研發還不夠成熟

3D打印技術目前還處于初級階段，制約其發展的關鍵因素之一是3D打印所消耗的材料，因此該技術成為主流生產建造技術還需要各方面技術的提高[12]。另外3D打印耗時也是需要解決的技術難題之一，通常打印大尺寸零件需要好幾天時間，甚至一個小的螺母也要打印十幾分鐘，所以3D打印技術目前并不適合大批量的生產，從長遠來看，3D打印技術提高生產效率的關鍵還是打印耗時。同時，目前3D打印只局限于使用一種材料進行打印，在結合多種材料進行打印的技術水平方面還有待提高。同時，使用的電力是在工廠里的10倍，以及還沒有找到在重量強度和耐久性等都很理想的材料。

（5）宏觀規劃和投入不足

我國在先進制造業的發展、工業化生產轉型等規劃中對3D打印產業重視不足，目前我國小規模企業普遍沒有足夠的資金進行技術研發，阻礙了這些企業掌握3D打印的核心技術，故目前將3D打印技術應用于打印建筑還是困難重重。

（6）技術人才的短缺

3D打印技術融合了很多學科專業知識，要將3D打印技術應用于建筑業需要培養型人才，而我國目前在這方面還有些欠缺。例如無法購置足夠數量的設備，應用研究領域也較窄，學校教學中缺乏和3D打印技術相關課程，政府也缺乏相應的宣傳和培訓。3D打印建筑特點見表2.2。

表2.2  3D 打印建筑特點

3D打印建筑

生產技術

基于CAD圖形文件

自動化增材制造

可在現場或工廠整體或分部分打印再拼裝

較容易通過客戶反饋及時修改建筑設計方案

供應鏈

只需從少數供應商處購買3D打印機及設計圖形文件，無需團隊間的復雜協調，是基于CAD軟件自動化的建造方式

經濟效益

成本較低，但即使形成了規模化生產也不能降低成本

3D打印生產單獨大尺寸構件再拼接組裝耗時長，故應考慮以整體單元進行建造

社會效益

現場勞動力成本接近于0

住宅強度大幅增加，但材料的強度，穩定，顏色穩定性等仍待評估

施工現場幾乎不存在施工安全問題

環境效益

可實現材料的反復利用，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不可避免的問題。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，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，則需要延緩材料的凝固硬化時間以達到正常工藝的要求；若在北方嚴寒天氣，或冬季施工，在零下的溫度下時，材料的使用則需要配備嚴謹的凝固硬化方案以達到施工的質量要求。

3D打印建筑的應用前景

（1）抗震建筑

在地震發生時，墻體和梁柱倒塌，將逃生人員壓在厚重的混凝土樓板下無法逃生，這是造成地震時人員傷亡的主要原因。在地震多發的鄰國日本，除在建筑基礎部分增加橡膠隔震支座外，還運用了輕質墻體，減輕墻體自重，降低逃生時被建筑構件砸傷。3D打印建筑的空心墻體，大大減輕了墻體自重，在地震多發地區有guang泛的應用前景。雖然在現階段抵抗地震力作用較有效的措施是采用鋼筋混凝土結構，而3D打印建筑的抗震性能尚不明確。但是隨著科學技術的蓬勃發展和試驗研究不斷改進與完善，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題也會迎刃而解。

（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輸的問題，3D打印技術也可在高層建筑作業中發揮其優勢，可以減少高空作業的工作人員，減少高空作業量，增強了施工過程中的安全系數。將3D打印技術與傳統建筑施工方式相結合，把一些建筑構件利用3D打印技術“打印”出來，在傳統施工現場進行拼接安裝，既可保證建筑主體結合的剛度、強度、穩定性、抗震性等綜合性能，也可縮短工期，加快施工進度。

（3）非線性建筑

3D打印建筑是一種精細化數控操作的結果，其精細化程度也在逐步提高。這樣*的jing準性可以將非線性建筑“打印”的更加細致，將連續流動狀的形體表現的更加真實。彌補了因施工工藝導致實體建筑與效果圖的差距。使得一些通過傳統工藝無法實施的設計方案更加的表現出來。

（4）室內裝飾

國內現已建成的3D打印建筑的表面粗糙，樣式單一。但在英國的3D打印研究試驗中，3D打印技術不僅能打印出毛坯房屋，還可以打印出精細的室內裝飾雕刻。隨著國內3D打印技術的不斷發展，將3D打印技術運用于室內裝飾裝修，并與建筑設計一體化完成，將增強建筑的整體美感和統一性。