3D打印技术及其在装配式建筑中的应用研究

成飞 刘欣

1.江苏省泰兴中等专业学校 江苏 泰兴 225499

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装配式建筑是一种在工厂预制构件，然后在现场组装的建筑模式。这种建筑方式能够提高施工效率，减少浪费，并且有利于环境保护。然而，传统的装配式建筑在构件形状和设计上存在一定的限制。而引入3D打印技术可以将复杂的建筑构件以及精美的外观装饰元素准确打印出来，为装配式建筑提供了更多的可能性，对装配式建筑行业的蓬勃发展具有重要的推动作用。

1 3D打印技术与装配式建筑的内涵

1.1 3D打印技术

3D打印技术，也称为增材制造（AM），是一种通过计算机控制的材料逐层叠加来创建三维形状的制造方法。3D打印技术最早于1980年代开发，但由于技术难度和高昂的成本，应用范围有限。但是随着技术的不断进步和价格的下降，3D打印技术才逐渐广泛应用于建筑、机械等各个领域[1]。比如在建筑领域，3D打印技术可用于直接制造建筑构件，从而实现高度个性化的设计和复杂结构的实现。

1.2 装配式建筑

装配式建筑是一种工业化建造方式，它采用系统化设计、模块化拆分、工厂制造和现场装配的方式建造房屋。在工厂中，建筑构件被预先加工制造，然后在现场进行组装，从而大大提高了施工效率并减少了浪费。装配式建筑适用于规模化生产，其优势在于快速、高效、节能、环保，并有助于降低建造成本。

2 3D打印技术在装配式建筑中的应用优势

随着科技的进步，3D打印技术已经从一个概念性的技术变成了现实的解决方案，3D打印技术在装配式建筑中的应用优势明显，可以提高生产效率、实现精确的建筑设计，满足用户的个性化需求、减少建筑垃圾的产生，具体表现如下：

2.1 提高装配式建筑的生产效率

一方面传统装配式建筑需要在现场进行组装，而3D打印技术可以在工厂预制构件，使得装配过程更加迅速高效，缩短工期。另一方面通过精确地设计和规划，3D打印技术不仅可以自动化地生产建筑部件，而且可以减少建筑材料的浪费，从而大大提高生产效率、降低生产成本[2]。

2.2 提高装配式建筑的质量

基于三维扫描、三维建模和人工智能等技术的3D打印，不仅让装配式建筑设计师可以设计出传统建筑方式难以实现的复杂建筑结构，而且由于3D打印技术的高精确性，可以保证构件的尺寸精准度和一致性，从而提高建筑的质量以及其稳定性、安全性。

2.3 减少装配式建筑的人力成本

在传统的建筑施工过程中，需要雇佣大量的工人来完成搬运和组装建筑构件等各种繁重的工作，然而3D打印技术可以将建筑构件以层层叠加的方式打印出来，从而减少了传统制造和组装过程中的人力工作量[3]。这种高度自动化的制造方式不仅可以提高使得建筑构件的生产效率和精确度，同时减少了对人力的依赖，降低了建筑施工的人力成本，减少了因为人为因素引起的错误。

2.4 实现个性化的建筑设计

3D打印技术可以最大化发挥设计师的创意灵感，使建筑师能够更快、更省力地展示他们的设计和创意想法，从而设计出更加独特、个性化的装配式建筑风格和装饰，以满足用户的个性化需求[4]。因此3D打印技术以其快速定制和灵活性的优势，能够根据装配式建筑师的设计意图，直接将复杂的建筑部件打印出来，有效解决了装配式建筑缺乏个性化的问题。

2.5 助力绿色建筑的实现

3D打印技术可以减少建筑垃圾的产生，降低生产装配过程的环境濡染。传统的建筑方式会产生大量的建筑垃圾，而3D打印技术可以最大化利用建筑材料，减少建筑垃圾的产生，有利于环保。另外，由于3D打印技术可以精确地控制建筑构件的制造，还可以减少不必要的材料使用，避免减少浪费的材料，进一步降低了建筑成本。

3 3D打印技术在装配式建筑中的应用挑战

3.1 技术成熟度不足，应用范围有限

目前的3D打印技术在建筑行业中尚处于不断探索和发展阶段，技术的成熟度仍然需要时间的积累，因此3D打印技术可以打印的建筑材料、建筑尺寸限制、所打印建筑的稳定性和宜居性仍然有较大的发展空间。比如适用于3D打印技术的建筑材料对于强度、稳定性、可打印性、耐候性、可持续性都具有较高的要求，而目前可用于3D打印建筑的材料仍然比较有限，难以满足所有类型的建筑设计和施工要求[5]。

3.2 对专业人员要求高，培养难度大

3D打印技术涉及机械原理、模具设计、房屋结构、混凝土结构原理、CAD绘图、计算机编程等知识内容，同样也要求3D打印的技术人员要必须精通计算机、机械、材料、建筑、土木、自动化等专业知识和技能，才能充分3D打印技术在装配式建筑中的优势。但是3D打印技术在装配式建筑中的应用对于装配式样建筑设计和施工人员专业能力的高要求，也使得对专业人才的培养面临着较大的困难。

3.3 法律法规和标准缺乏

目前，自2012年以来，中国多个部门相继推出了《国家增材制造产业发展推进计划（2015—2016年）》等3D打印产业政策，将3D打印产业发展提升至国家战略层面。但是对于3D打印建筑的法律法规和行业标准还没有完善，无法确保3D打印装配式建筑的安全性和质量[6]。比如3D打印建筑的法律法规和标准缺乏，无法对于3D打印装配式建筑材料的稳定性、环保性以及建筑结构的稳定性、安全性进行评估和规范，难以保障3D打印技术在装配式建筑的应用价值。

4 3D打印技术在装配式建筑中的应用

4.1 3D打印技术在装配式建筑中的应用情况

3D打印技术的发展以及在装配式建筑中的应用情况，与3D打印材料的发展以及3D打印的成型方式紧密相关。3D打印的成型技术主要有立体光固化、材料喷射、粘结剂喷射、粉末床熔融、材料挤出、定向能量沉积、薄材叠层等几种，其中应用于建筑业的主要是粘结剂喷射、材料挤出、粉末床熔融和定向能量沉积四种，比如粉末床熔融打印利用高能激光束或电子束来熔化金属粉末，一层一层地逐渐堆叠成形，能够批量生产和定制制造具有较高分辨率的复杂结构和大型零件[7]。

根据3D打印技术的原理以及3D打印技术在装配式建筑中应用情况（如表1所示），可以得知，自1997年3D打印技术开始在建筑领域应用以来，随着3D打印技术的不断成熟以及打印材料的不断丰富，用于3D打印的建筑材料也逐渐多样化和复合化，从不再局限于简单的墙体打印，而是扩充到混凝土构件、金属构件、玻璃构建、塑料构建，加大满足了装配式建筑的设计与施工需求。

表1 3D打印技术在装配式建筑中的应用案例

4.2 3D打印技术在装配式建筑中的应用场景

（1）建筑设计阶段：3D打印技术在非标准化构建中设计和生产加工具有显著的优势，让装配式建筑设计突破了现有的制水平和建筑水准。特别是3D打印技术与BIM、增强现实、激光技术、热成像技术的有机结合，极大提高了建筑设计的可视化、智能化、信息化程度，提高了建筑设计的效率。另外，在装配式建筑的规划和设计阶段，建筑模型是非常重要的辅助工具。3D打印技术可以用于制作高质量的建筑模型，帮助建筑师和客户更直观地了解建筑设计和布局。

（2）建筑构件打印阶段：目前3D打印技术主要应用于多层装配式建筑的制造之中，其基本流程是先在工厂中打印各种建筑构件，再运输到施工现在进行装配，然后针对局部混凝土的浇筑和建筑外立面的修饰（如图1所示）。在装配式建筑中，3D打印技术不仅仅可以打印墙体，而且利用3D打印机的高精度和灵活性，可以生产出各种复杂形状的构件，以满足不同建筑设计的要求[8]。

（3）施工阶段：传统装配式建筑施工现场经常会出现建筑构件在组装时与现场环境产生较大误差的问题，从而导致装配式建筑构件的替换、返厂再造或废弃，造成了较大的经济损失和材料浪费。而3D打印技术可以根据现场的环境进行设计、打印和组装，提高了装配式建筑构件和组装施工的精准性，大大减少了在装配式建筑构件在设计、制造、装配和修改中所花费的时间和精力。另外，在建筑主体和主要构件装配完毕之后，也可以借助3D打印技术可以根据设计师的创意进行，制造出雕塑、立面装饰板等各种精美的建筑外观装饰元素，为建筑增添艺术价值和个性化特色[9-11]。

（4）建筑的维护和节能改造阶段：在建筑的维护方面，装配式建筑相对于传统建筑，可以更加方便快捷地对于一些损坏的建筑构件进行替换和修补。在借助三维扫描技术对装配式建筑进行实扫描之后，使用3D打印技术还原出精确的模型，为装配式建筑的修复工作提供参考和依据。另外在建筑的节能改造方面，3D打印技术可以制造出轻质、高强度的节能环保建筑材料和建筑构件，通过更换部分构件或外墙材料，提高建筑的隔热性能和保温性能，从而实现节能效果。

5 结语

综上所述，3D打印技术为建筑行业带来新的革命性变革，在提高装配式建筑的生产效率和质量、减少装配式建筑的人力成本、 实现个性化的建筑设计、助力绿色建筑的实现等方面发挥着重要作用，但是也面临着3D打印技术成熟度不足、应用范围有限、法律法规和标准缺乏、对专业人员要求高等众多挑战。但是随着3D打印技术的不断进步和相关政策的完善，以及建筑行业与科技、材料、制造等行业之间的紧密合作，相信在不久的未来3D打印技术以实现更加复杂多样的建筑构件，极大拓展3D打印技术在建筑中的应用范围，为装配式建筑的发展带来更多的创新和发展。