未来智库 > 3D打印论文 > 【3D打印技术在建筑工程领域的应用前景】
    关键词:3D打印技术;建筑工程领域;应用
    中图分类号:TU198文献标识码: A
    科技改变生活,科技提高效率,科技创造价值。随着科技进步,如今越来越多的新技术、新工艺、新材料被应用到建筑工程领域,极大地提高了工程建设的质量和效率。3D打印技术正是科技发展的产物,自打其研制诞生以来,就不断地吸引人们的眼球,受到各行各业的广泛关注,打印食物、打印机械零件甚至打印手枪等不一而足。3D打印技术先后进入了牙医、珠宝、医疗行业,人们希望利用3D打印等先进制造技术快速制产品,借此提升执行任务的速度并降低成本,3D打印技术未来应用的范围会越来越广。如今也有建筑工程人员将这项技术应用到建筑领域,并取得了一定成效。本文在3D打印技术的原理基础上,就3D打印技术在建筑工程领域的应用及其发展前景进行探讨。
    一、3D打印技术
    (一)3D打印技术的概念。我们都知道文字图片打印机,它们是平面的二维打印,3D打印就是在普通的二维打印的基础上再加一维。与普通打印机工作原理基本相同,区别在于只是打印材料有些不同,普通打印机的打印材料是墨水和纸张,而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂以及尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、镀银、镀金、橡胶类材料等不同的“打印材料”,是实实在在的原材料。3D打印机工作时先像普通打印一样,在一个平面上将塑料、金属等粉末状材料打印出一层,然后再将这些可黏合的打印一层一层的粘起来。通过每一层不同的“图形”的累积,最后就形成了一个三维物体。就像搭积木一样,一层一层的累积起来后,就完成了一个设计好的立体的样子。3D打印技术就是快速成形技术的一种,它运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过一层又一层的多层打印方式,来构造零物件。模具制造、工业设计常将此技术用于建造模型,现在正向产品制造的方向发展,形成直接数字化制造。
    (二)3D打印技术的现实意义。首先,大幅度提高工作效率。根据模型的尺寸以及复杂程度,传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天,而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时,开辟了快速成型的新途径。其次,降低成本。传统的制造技术如注塑法可以降低成本大量制造聚合物产品,而三维打印技术则可以以更快、更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。再次,打印的物品逼真。因为3D打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够,并且是三维的,所以打印出发产品例如模型十分逼真。今天的3D打印能复制出与原物一模一样的实物出来。最后,给设计者带来更多的想象空间。
    二、3D打印技术在建筑领域的应用
    (一)建筑设计领域应用
    3D打印实际就是快速成型技术的应用,快速成型技术是特种加工技术中具有代表性的一种,它是集数控、机械CAD/CAM技术、激光加工、新材料科学等多种新型技术为一体的新技术。由于3D打印成品的可塑性非常强,从二维到三维,3D打印可以精确到600dpi,每层0.01毫米的厚度,几乎任何复杂的结构都可以轻松打印出来,于是许多建筑设计师将该技术用于建筑与市政布局模型、工业设计的快速成型。
    以往建筑设计师制作模型和3D效果图都是手勾草图,现在,3D打印提供了一种与传统的3D效果图、建筑模型等建筑造型表现方式不同的、全新的操作模式,它将让模型作为建筑师矫正设计的手段这一初衷获得新生。整个建筑模型制造过程分为三个阶段:拍照、建模、打印。这种操作方式比用软件画图、按照图纸仿形雕刻更精确、更快捷。
    (二)建筑市场开发应用
    1.建设方案初始设计阶段。我们知道通过看2D图想象3D空间确实比较困难,需要有丰富的空间想象力。3D打印模型在这一点不仅非常有用,而且还可以有效传达想法,根据各方讨论意见随时改变。例如在做城市综合体、交通综合体等这种大体量建筑群开发初始阶段,就需要研究这些综合体建成后会对周围的建筑和城市空间有何影响。最好的、最有效的做法就是给出模型,用以直观真实的展现建成后的情景,3D打印机具有这方面的极大优势。
    2.建设提交方案成果阶段。建筑工程每个设计阶段的任务终将形成一个连贯一致的设计,包括方案、成本、准则等所需要求。如果用3D模型完成空间、环境设计,就相当一个缩微版的建筑与环境原型再现,必然会得到建设方和公众的接受,也可避免因为设计者的疏忽造成的失败建筑。
    3.项目技术设计和营造阶段。随着建筑项目的开展,3D打印模型的辅助设计功能也随着改变,转向项目的技术设计和细部处理、风格展现,比如内饰、外饰的材料、风格、空间内部的陈设和装饰物品,使之更加深化细致。
    4.建设项目成果展示。3D打印模型不仅是设计过程和项目施工过程中所用的工具,也可作最终展示。设想在一间设计公司的展厅内,陈列着这家公司完成的许多项目缩微模型,他们就是窗外真实城市景观的真实再现,这些模型就能赢得潜在客户的信任,给设计者带来新的收益机会。
    (三)在建筑构件方面的应用。如今有一些建筑师将3D打印技术应用于建筑构件。起初,建筑师采用SLS(选择性激光烧结)3D打印技术按照设计的尺寸分段打印各个节点,然后将其组装起来。SLS3D打印技术能够满足建筑所需要的美学和结构方面的需求。
    (四)在制造实体建筑方面的应用。也就是用3D打印技术来盖房子。采用的方法是分段打印组装方式,即建筑模块化,在工厂里每块打印好,最后一起现场组装。与建设传统房屋一样,打印房子之前首先需要打下地基;接着,打印机根据图纸打印墙体结构,同时预留“梁”与“柱”浇筑的空间;最后,在预留空间置入钢筋、灌注混凝土,在墙体的中空部分填充保温材料。这种打印实体建筑在我国也有案例,肉眼观察,这些3D打印房与普通房屋有着明显的区别:它们的墙体有着类似雕饰的纹路,或横向或纵向,而整体效果宛如制作奶油蛋糕时挤出的奶油被一层一层堆叠起来。
    三、3D打印技术在建筑工程领域的应用前景分析
    3D打印技术在建筑工程领域的应用还有较长的路要走,特别是在实体建筑打印方面还面临诸多挑战。
    首先,打印材料的限制。3D打印机使用的是真实的金属、陶瓷、塑料、尼龙玻纤等材料,虽然可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印,但打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。另外,打印机也还没有达到成熟的水平,无法支持日常生活中所接触到的各种各样的材料。虽然研究者们在一些打印材料上已经取得了一定的进展,但除非这些进展达到成熟并有效,否则材料依然会是3D打印的一大障碍。
    其次,打印机器的限制。3D打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经获得了一定的水平,几乎任何静态的形状都可以被打印出来,但是那些运动的物体和它们的清晰度就难以实现了。但最基本的困难在于尺寸。2维打印大家都常用,一个最根本的常识就是,输出尺寸越大,打印机本身就越大,那么打印机的喷头活动范围要能够覆盖全幅的输出尺寸,那么必然会大一圈。在3维打印领域,这意味着:如果打印住宅则打印机需要比你的住宅大一圈。机器越大越难制造,更重要的是机器越大,打印精度和打印速度就会越差。所以现阶段解决3d打印房屋的一些基本问题:材料,控制,精度等。
    再次,3D打印建筑的安全问题。一方面,3D打印技术能否把房屋的梁体、墙体和柱体做到和传统行业一样坚固,还有待检验。另一方面,建筑的抗震性。现在一般使用超轻的全新材料,打印的房子自重会小于传统房屋,抗震性也就更好,但如果打印房的自重大于普通房屋,抗震性的问题就值得考虑了。再一方面,建筑的耐撞击性,不管怎样由于材料的关系,打印的建筑的耐撞击性可能不如传统房屋。国家尚未对3D打印建筑出台相关标准,这使得3D打印房的安全性、抗震性等性能无法得到检验。
    因此,短期内,3D打印技术不可能完全替代传统建筑方式。一种较大的可能是新技术与传统工艺互为补充,在钢筋混凝土结构的基础上结合3D打印技术,建造一些科幻建筑、概念建筑等。但在设计体系、模型制作、钢筋混凝土很难塑造的个性的效果方面,3D打印却能发挥不可替代的作用。
    
    参考文献
    [1]古丽萍.蓄势待发的3D打印机及其发展[J].数码印刷,2011,(10).
    [2]刘厚才,莫健华,刘海涛.三维打印快速成形技术及应用[J].机械科学与技术,2008,(9).
    [3]陈步庆,林柳兰,陆齐等.三维打印技术及系统研究[J].机电一体化,2005,(4).

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