3D打印建筑技术在旅游城市的应用研究★

黄梦瑶 张 宏 蒋凌云 赵紫晶 李 娟 秦 勉

(吉首大学张家界学院，湖南 张家界 427000)

0 引言

3D打印技术拥有数字化、个性化、网络化以及定制化等独到之处，因其被称为第三次工业革命的重要标志之一，从而引发了世界人民对3D打印技术的广泛关注[1]。该文对3D打印技术的理念、材料、技术类型及其特征、国内外的发展历程及近况、优劣势分析等方面进行探讨，并分析其在旅游城市张家界市棚户区的应用前景。

1 3D打印技术的基本概况

1.1 简介

3D打印技术又称增材制造技术(Additive Manufactuning，简称AM)，其打印方式就是在普通2D打印的基础上再加一维，使其最终产品成为一个三维立体的实物。工作流程为先利用软件建立三维虚拟模型，3D打印机运用特殊蜡材，粉末状金属等可粘合性材料的粘性，通过渐堆叠的方式制作出一个三维立体模型。这种立体打印的方式不仅节约了人力物力，而且更加方便、快捷、绿色、节能。

1.2 材料

建筑材料是建筑的基本组成成分，3D打印建筑技术使用的是弹性模量、抗压强度和抗折强度都较高的泡沫混凝土，其使用年限和抗震性能也十分出色。而这种材料最大的优势在于其原料来自建筑废料，将这些建筑废料通过分解和加工处理成为新的可用材料，使其在3D打印建筑的过程中不会产生粉尘和噪声污染。在3D打印技术中，可以将其材料分为五大类，如表1所示。

表1 3D打印材料

目前，国内外对材料进行了一系列试验。在美国，一些研究者用混凝土进行试验，国内也有许多专家学者研究3D打印建筑材料。刘福财等人发明高性能粉末混凝土，其固化速度快，粘合性好；范诗建等人配出磷酸盐水泥，使材料在抗压和抗折强度方面得到了极大提升。

1.3 技术

1.3.13D技术

3D打印技术始于20世纪80年代中后期，其技术原理是把软件建立的三维虚拟模型文件通过分层解析，通过与其配套的电脑处理分割为多个二维图形的组合体。而与此同时，3D打印机内的材料被挤压通过喷头逐渐堆积层叠，喷出的材料会迅速凝固而形成一个整体，最终形成三维实体模型，见图1。

1.3.23D建筑技术

近几年，3D打印在建筑行业上的运用逐渐吸引了公众的目光。目前应用最广泛的工艺就是“轮廓工艺”和“D-Shape”。“轮廓工艺”其工作机理是在计算机的控制下，材料通过喷头喷出，按层堆积形成建筑轮廓，然后对其内部进行填充，完成房屋的构造。“D-Shape”是一款3D打印机，其工作机理是在计算机的控制下按照其预先设定的形状由建筑物的底部开始打印然后逐层向上堆叠。

2 3D打印技术在国内外的研究及在建筑领域的发展

2.1 国外研究现状

从国际角度看，3D打印技术在各行业蓬勃发展。在航空航天方面，美国研制了全球首发微重力3D打印机。在医学方面，PrintAlive Bioprinter团队研发皮肤3D生物打印。在军事方面，美军考虑打印各种型号的弹头。在建筑行业，美国明尼苏达州的承包商Andrey Rudenko运用3D打印技术打印出了一座城堡，菲律宾刘易斯大酒店老板Lewis Yakich用3D打印技术打印出了一座别墅式酒店。该酒店面积为10.5 m×12.5 m，高3 m，共计130 m2。3D打印技术应用领域见图2。

2.2 国内研究现状

在国内，3D打印技术在各行业也都有了不错的成果。尤其是在建筑方面，盈创新材料有限公司成功在2014年3月在上海青浦区打印出10栋房屋，共用时24 h。目前，华商腾达公司掌握了3D整体现场打印技术。相对于先前“先打印，后组装”的模式，现场整体打印的难度更大，华商腾达公司研发出的超大型3D打印即可直接在现场整体打印房屋，打印宽度可达到20 m，而高度可以无限延伸。预计不久将来，此设备将会在行业中起领军作用，打印建筑实例见图3。

3 3D打印建筑技术的优劣势分析

3.1 3D打印建筑技术的优势

与传统建筑技术对比，3D打印技术不需要模具且用时短、成型快、建筑效率高。生产过程中人为干扰因素较少，产品的质量更加稳定；可以根据客户的需求建造出传统建筑技术无法建造出的复杂形状的建筑，且其形状越复杂，尺寸越小，精度要求越高，3D打印技术的优势越明显；建造工程中产生的建筑垃圾极少，并且其打印材料可以由建筑垃圾加工回收利用，既能节约成本，又符合国家的可持续发展观；3D打印建筑所需的人力较少，减少了工人的劳动强度且节约了成本。

3.2 3D打印建筑技术的劣势

同其他新兴工业一样，3D打印建筑技术也有其软肋。迄今为止，国内外3D打印出的建筑物多为1层～2层，最高为6层，如何利用3D打印技术打印出高层建筑是目前亟需解决的问题。

4 张家界建筑基本情况及对经济、环境等方面的影响

4.1 基本情况

众所周知，张家界是一座旅游城市，流动人口数量较大，但常住人口只有151.9万人，也意味着对于居住建筑的需求量较小。但据资料显示，张家界建筑业总产值出现负增长，商品房开发节奏缓慢，而住房均价不断提升，与此相较而言，本地居民的居住水平存在着大量的置业需求。自从张家界被确定为国家旅游综合改革试点城市以来，城市化建设步伐的加快势在必行，旧城改造将要引发的刚性需求会在未来几年内大量释放出来。

4.2 影响

1)对经济方面的影响。

一个城市中建筑业的发展能够影响一系列产业的增长。就以张家界而言，目前发展面临的最大的问题是基础太差，城市化建设和基础设施建设远远不能达到一个国际休闲度假旅游城市的应有水准，所以加快建筑业的进步就显得迫在眉睫。

2)对环境方面的影响。

一个城市想要发展，建筑行业势必得被提上日程，新建住房也会成为一个手段。但是，新建住房会产生建筑垃圾，建筑垃圾会造成环境污染，其危害主要表现在侵占土地。每10 000 t建筑垃圾要占用0.067平方百米的土地[2，3]，堆放的垃圾经雨水淋湿渗透后会产生大量的有害物质，若任由这些有害物质流入河流、湖泊或渗入地下水，会造成无法挽回的地表和地下水污染[3]。

5 3D打印建筑技术在张家界市的前景展望

张家界作为新兴的国际旅游城市，其自然风光，人文景观吸引着海内外游客。旅游业的发展推动了建筑业的需求，民宿、旅馆、酒店等建筑在景区附近的需求量大，而3D打印建筑技术时间短，修建效率高等优势适合张家界引进。就投资者而言，修建建筑所需求成本应尽量低，而3D打印建筑技术能使建筑设计者省去繁杂流程，各专业领域的建筑设计师可同时在三维模型中完成方案的设计，节省设计流程，降低相应费用。可使更多投资者引用3D建筑技术在张家界这座旅游城市进行投资，推动张家界市的经济发展，伴随着张家界的发展大规模的拆除建筑随处可见，其建筑垃圾通过传统处理所耗费的人力、财力巨大，而3D打印建筑技术采用建筑废弃材料为原料，符合资源节约型和环境友好型“两型社会”的建设要求，既节约了材料，又保护了环境。