浅谈国内3D打印应用于建筑业的现状及问题

陈梦晨　董健　黄超然　黄纬

【摘要】3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等方式实现快速成型的技术。在建筑行业，3D打印技术顺应产业革命的发展，将使大规模的个性化生产成为可能，逐步实现快速建造和产业化生产，并会创造出大量的传统工艺无法生产的新型材料，这将会带来全球制造业经济的重大变革。首先，该文通过对国内现有3个3D建筑打印实例进行介绍，分析现有建筑打印技术特色、总结国内研究现状与发展趋势；其次，对现有3D建筑打印所存在问题进行归纳，提出了在我国建筑业推广应用3D 打印技术的发展思路与建议。

【关键词】国内3D打印；建筑工程；现状；问题；前景

1.3D建筑打印的概况：

3D打印（3 Dimensional Printing）即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D建筑打印是利用现有桌面级打印技术应用于建筑工程上的一种新兴技术，即通过打印头出料后逐层累积最终形成一个成品。其构成和桌面级打印机基本一致，都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的。根据CAD等建模软件所得出三维模型数据，通过一个运行程序将材料分层打印输出并逐层叠加，最终将计算机上的三维模型变为建筑实物。一个房子或者一群房子，即使每幢建筑形态各异，都可以通过一个运行程序来自动构建。最终将计算机上的三维模型变为建筑实物。

2我国3D建筑打印技术特色与研究现状：

（1）技术特色：

首先，我国现有3D建筑打印机体积庞大，高数米，长宽数十米，底面占地面积相当于一个篮球场的大小，这种打印机可以打印出各种大型的建筑构件，然后运送至施工现场进行组装；也可以直接现场进行打印房屋建筑；因此，施工速度至少要快10倍，且建筑类型、复杂性等因素不会增加建设成本。

其次，我国目前已有公司研究出GRG、SRC、FRP、盈恒石等特殊的建筑打印材料，这些材料基本是由水泥、少量钢筋和建筑垃圾等材料制成的，可就地取材且对环境影响很小，不需要模板，定制型强，可塑性好，可打印出任何细节特点与复杂曲面、管道等；同时，还有建筑打印成型的结构构件，不仅可以完成客户个性化定制，而且采用 3D 打印技术制作的建筑，可节约建筑材料 30% 到 60%，工期缩短 50% 到 70%，节约人工50% 到 80%，建筑成本可至少节省 50% 以上，且其抗震效果和保温效果都会增强。比如在上海亮相的十栋打印房屋，打印的就是一个外壳，类似于建筑工程中所使用的模板，不仅省去了支模的过程，而且节约了成本，与此同时在其中可以进行混凝土的二次浇注，梁柱仍然是使用钢筋绑扎的。因此，国内3D 打印技术可以应用于空心混凝土结构单元的建造中。

（2）研究现状：

我国现在的建筑施工已经形成了标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修和信息化管理为主要特征的住宅产业化生产方式，并在设计、生产、施工、开发等环节形成完整的产业链，实现房屋建造全过程的工业化。

3D建筑打印共有两种不同的方式：第一种是在现场打印整座建筑，而第二种方式是在工厂内打印完成一系列建筑构件，然后运送到现场后进行组装和加固。而在我国国内建筑行业之中，更多是采用第二种方式，即打印建筑构件而非整座建筑。

由上述案例可知，3D建筑打印可以将建筑工程中所需要的各种构件由3D 打印完成后，再运送到现场进行拼接。在预制装配式框架结构体系中， 3D 打印技术可以用于提前预制一些复杂的楼梯，叠合阳台等单元。同时3D 打印技术可以应用于独立单元的生产，并可在工厂内对模块内部进行装修布置，随后运输到现场通过吊装，就可以将模块连接为可靠的建筑整体。

3.国内3D建筑打印现存问题及发展建议：

（1）建筑打印现存问题：

首先，国内3D 打印技术目前还处于初级阶段，无法形成规模化生产，国内仍只有少数几家公司进行3D建筑打印生产工作和业务。同时，因为3D打印机的限制，目前建筑打印无法大批量进行生产，且很少能够进入建筑工地进行直接的打印，大多为构件在工厂打印完毕以后，运送至工地进行拼装和加固，这样会加重运输负担。

其次，在构件的打印过程中，需要预留有钢筋及管线铺设的空隙，增加了打印的难度，也容易导致打印完成构件的质量存在问题，无法使用。另外，国内现有3D建筑打印的主体结构多为结构的外壳，打印结束后仍需要进行混凝土的浇筑以确保主体的安全及稳定性，所以并不能够一次性将建筑的主体结构打印完毕，增加了工作的重复性。

最后，还有3D打印材料供给及送料所存在的潜在问题，由于打印材料经由打印喷头融化后不断一层一层凝结而形成构件，因而当材料耗尽，重新加料之后，导致凝结时间不同所形成的打印构件存在分层或断层的问题。

（2）建筑打印未来发展建议：

目前，我国3D建筑打印整体仍还处于起步阶段，只存在少数几家公司参与，并且没有将 3D 打印技术应用于住宅产业化的相关研究中。各行业在研究上显得较弱，都是各成一家，缺少交流和融合；因此，我国政府应首先制定 3D 打印技术和其应用于建筑工程领域的中长期发展计划，并且支持各大高校与从事3D建筑打印的公司相合作，同时以高校为基础展开研究，共同促进国内3D建筑打印的发展。

并且加强国际交流，学习国外的先进技术；加强各种不同产业之间的合作，共同发展；同时进一步完善开发商及供应商体系，引导 3D打印技术开发商、设计单位、建筑企业等组织建立产业联盟。并且加大 3D打印建筑的社会宣传活动，使更多的人能够了解3D打印方面的知识。最后，还应自主开发新的建筑打印技术和能够规模化生产的建筑打印材料，以供3D建筑打印使用。

4.结语：

3D打印技术的发展将使大规模的个性化生产成为可能，并会创造出大量的传统工艺无法生产的新型材料，這将会带来全球制造业经济的重大变革。目前，我国传统建筑行业存在环境污染严重、人力成本高、高能耗等各种问题，3D 打印技术在我国建筑业领域的推广应用具有可行性和广阔前景。但是目前该技术在建筑业领域的应用还处于起步阶段，虽然比传统建造方式有较大的优势，但也存在一些问题，需要在技术、政策、教育宣传等方面进一步发展的基础上才能更好地推广应用。

若解决目前存在的问题，发展新的低成本的3D打印方法体系，不但对于解决全球住房危机和节约能源、环保等问题从而促进社会和谐发展显得迫切而意义深远，也会对未来建筑业的发展产生重大的影响。

参考文献：

1 李忠富， 何雨薇. 3D打印技术在建筑业领域的应用 土木工程与管理学报，2015.6

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4王忠宏，李扬帆等. 中国 3D 打印产业的现状及发展思路[J]. 经济纵横，2013（1）： 90-93

5宋靖华，胡欣. 3D建筑打印研究综述.先锋论坛（2015）02-0007-04

6网易新闻.世界最大3D打印建筑“蘑菇云”亮相北京