3D打印技术在建筑行业中的应用分析

齐玉清

（内蒙古建筑职业技术学院 呼和浩特市 010070）

1 引言

建筑业采用3D打印技术近期经常成为头条新闻。“The Economist”2017年6月低调宣布：“3D打印和智能计算机可能会彻底改变建筑业”，CNN网站早些时候提出了这样的问题：“世界的下一个特大城市会从3D打印机中滴出来吗？”这些新闻表明，媒体对于某项技术，相对它的潜力，更多地关注它当前的成就。3D打印将成为制造过程中常见甚至标准的方法，然而这项技术广泛应用的时间仍然不确定。研究人员近十年来一直在3D打印或增材制造技术领域进行努力，一些大型公司已经开始认真投资，不仅是建筑公司，还有建筑材料制造商。市场对这项技术也是非常期待的。

2 3D打印在建筑行业中的应用

3D打印是指由计算机控制机器来自动逐层生产物理对象。该机器通常由数字3D模型引导工作，并熔化金属或粉状固体或喷射液体或半液体材料来制造构件。这项技术有十分广泛的应用——从外科手术植入物到汽车零配件，再到航空航天项目的轻型结构等等。这种多功能性归因于三个主要因素：可以使用各种合适的材料（特别是聚合物，金属，陶瓷，砂浆或混凝土）；几乎无限的自由设计；以及在现场或场外灵活、经济地创建复杂形状的能力。3D打印自动化生产的这些特征，与建筑行业有着近乎完美的匹配。

考虑一些3D打印与建筑行业的符合之处：建设项目通常需要定制设计；它们涉及液体或易弯曲的材料（通常是复合材料），需要现场硬化；建筑行业越来越依赖于自动化（至少在发达国家），以避免延误，超支和技术劳工短缺。对于建筑公司来说，在客户，纳税人和政府都面临越来越大的压力下，一天24小时都能自动打印建筑物或零部件的技术将会有一个非常受欢迎的前景。在此背景下，建筑行业采用3D打印技术的速度肯定会加快。主要原因如下：

2.1 技术进步

建筑3D打印设备和材料不断完善，成本不断下降。新型打印机正在实用化-例如那些更巧妙地利用机器人技术并且更好地适应复合材料的技术，而且正在实现新的应用。

2.2 新进入者

最近将3D打印技术应用于生产的公司数量激增。2013年初，该领域仅有20家初创企业。今天，大约有65种提供服务，如建筑师和工程师原型解决方案，软件和设计工具，大型结构组件甚至整个建筑。

2.3 施工企业的战略措施

那些大型建筑公司将不得不适应新的现实，无论他们喜不喜欢。其中一些已经做出了战略决策，成为这项新技术的早期采用者。2017年2月，法国领先的建筑公司Vinci购买了法国创业公司XtreeE的股份，该公司专门从事混凝土结构元件的印刷。另一位法国建筑巨头布依格与南特大学团队合作，帮助开发Batiprint3D工艺，并开始在南特印刷社会住房。跨国承包商AECOM与Winsun签署了一项为期三年的协议，共同加强3D打印在建筑行业的应用。

还有几家建筑材料供应商也开始接受这项技术。与Vinci一样，水泥制造商LafargeHolcim与XtreeE合作开发了一系列特别适用于3D打印的实验混凝土混合材料。奥地利模板专家Doka Ventures已获得美国创业公司Contour Crafting公司30%的股份，该公司是建筑行业3D打印机生产商中的翘楚。

2.4 技术推动

由于设备，材料和工艺的进一步突破，技术限制肯定会有所缓解。在适当的时候，3D打印将可以与传统的现场施工和预制方法相媲美，并且可能会被用来生产数量更多，规模更大的结构，以及用来制作更专业和更复杂的构件和建筑。

3 3D打印技术对建筑行业的有利方面

3.1 设计自由

通过降低生产非标准形状构件的成本，3D打印可让建筑师和设计师自由发挥。该技术可以将复杂的设计转变为超出传统建筑施工单位能力的实际结构。正如新的口号所言，“如果你不能建造它，就把它打印出来。”

3.2 自主建设

影响许多高收入国家建筑行业的技工短缺问题很快就会变得无关紧要了-自主或半自主3D打印机只需要很少的人工操作。此外，由于其中一些打印机比传统工程机械（如起重机）更轻，更具可移动性，所以可用于那些预制构件无法运抵的危险区域或偏远地区。尽管价格昂贵，但可以降低整体设备成本，而这通常占传统建筑项目成本的20～25%。

3.3 交货的可预测性和速度

通过全天候运行，减少现场施工问题，3D打印机可大幅缩短施工时间。并且，建筑材料的交付问题将减少，各行业之间的复杂交互也将减少。

3.4 可持续发展

3D打印将减少建筑行业对环境的有害影响。首先，据一些专家称，3D打印的大部分原料都可以是回收材料。此外，3D打印可以消耗更少的材料：通过创建复杂的形状（例如悬垂物和折叠）以实现绝缘和遮阳等功能，无需额外的材料或单独的结构单元。

3.5 特殊属性

例如，通过使用锥形，中空或蜂窝结构，以及对“拓扑优化”的掌握，3D打印可以赋予其产品特殊性能，例如提高抗张强度或增强绝热性，而不会增加其重量。

只有在大规模应用3D打印时，才能实现全部优势。这个时间取决于克服各种障碍的速度有多远。

4 3D打印技术未来的发展前景

从长远来看，随着技术和市场的成熟，3D打印可能会变成现在建筑技术的状态，如预制-承包商可根据需要从专业分包商那里获得。或者重点可能落在专门的设备上，承包商可以从设备供应商租用或租赁。这种情况下，3D打印即的服务模式将得到发展：技术公司将专注于生产复杂的3D打印结构进行出售，或者他们会将设备和熟练的工作团队租给承包商；工作室将专注于生成设计或3D建模；而软件公司则会出现专攻设计自动化的软件公司。对于这样的公司来说，这种更加分散，更专业化的方案比一条龙方案更具吸引力：它看起来更具可扩展性，需要较少的资本和知识以及较少的劳动力；而且可以规避大部分风险。

也许有一天，大型建筑物将全部由一台打印机打印出来，除了按下开关和补充原料之外，不需要任何现场工作人员，这是一个非常遥远的愿景。一个更现实的前景是保留几个独立的程序以及自治或半自治系统，包括加固，混凝土挤压，表面铣削和绝缘，但将它们与人类工作者紧密结合。在不久的将来，建筑3D打印将进一步扩大其作用，推广和改进其特殊应用，如印刷模具或复杂组件，并与日益复杂和雄心勃勃的设计保持同步。如果资本被继续投入到该领域中，这一发展势头必定会继续下去。