马 相
宜宾职业技术学院 建筑与环境学院，四川 宜宾 644000
摘 要：随着现代科学技术的不断进步，3D打印技术的应用也在快速发展，广泛的应用于我们的日常生活，并且在建筑行业中的应用也日趋广泛。本文从3D打印技术的工作原理出发及施工过程进行简要的分析，并结合3D打印建筑实例施工过程的研究，分析3D打印建筑的优势及发展方向。
关键词：3D打印技术 建筑工程 施工
1.3D打印技术及时工作原理
3D打印技术又称积层制造（Additive Manufacturing，AM），属于快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件为基础直接制造几乎任意形状三维实体的技术。3D打印运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式来构造物体，即“层造形法”。3D打印与传统的机械加工技术不同，后者通常采用切削或钻孔技术（即减材工艺）实现。所谓3D打印技术，是利用光固化和纸层叠等方式实现快速成型的技术。它是将用内装有金属、陶瓷、塑料、砂等特殊“打印材料”组成的3D打印机，与电脑连接后，通过多层打印方式，把计算机上的蓝图变成实物。
在建筑领域，与以往的技术相比较3D打印建造技术操作更加方便、简单和快捷，这样就引起很多专业人士的关注，可以应用真实的材料对实体进行快速的建造和成型，因而得到了广泛应用，具有很好的发展前景。
随着科技的发展和技术的进步，建筑施工技术发生了日新月异的变化，新技术推动了建筑的革新，热门的3D打印技术、纳米科技、生物科技、人工智能以及新能源产业这些新科技元素融入建筑中，对建筑行业产生了巨大的影响和变化，对于未来建筑而言，为人们遮风避雨的房屋只是最基本的功能，随着科技的不断进步，现代人对居住环境的所有要求，都将在未来建筑中得以实现。随着3D打印技术在建筑中的广泛应用，房屋的建造周期大大缩短，施工效率将极大的提高，有效节省房屋建造的人力、物力、财力等各项资源，建造出绿色环保、节约资源的新型建筑。
2 3D打印建筑的施工
从目前的现状来看3D打印是先进科学技术发展的趋势。在具体的应用中可以分为3个建筑步骤：在计算机使用相关软件设计的时候需要打印模型；通过利用一些成型设备（3D打印机）；利用各种类型材料进行打印，进而就可以将所需要的产品制造出来。对于3D打印技术而言，其具有很高的综合性、复杂性，既可以把计算机上面的数字建设模型计算与机电控制技术有效的结合在一起，还可以将一些比较先进的信息、材料使用以及化学应用技术等进行应用，因此该技术能够对其作用进行充分发挥。同时3D打印机是重要的设备，但是其需要进行有效控制，还需要与计算机进行连接，进而把计算机模型转换成具体实物。此外3D打印技术包括很多种系统，以精度机械、数字控制等系统为主，并且由打印材料、工艺以及模型设计等部分组合而成。
3D打印建筑的施工过程是打印机根据电脑设计图纸和方案，层层叠加“油墨”喷绘相关结构件，再将生成好的构件运送到施工的现场进行吊装、搭建。为了使打印的建筑更加的牢固，在墙与墙之间还可使用钢筋水泥进行二次“打印”灌注，从而使得结构连成一体。所以对打印材料“油墨”的选择就十分重要，目前采用的3D打印材料都是以抗压性能为主，打印过程中打印材料需要通过输送管道并经打印头的打印才能成型，因此打印材料应具有良好的和易性。并且在打印过程中上层材料的堆积会对下层材料形成压力，如果下层材料在短时间内没有形成足够的强度，就会在压力作用下变形，因此打印材料还应具有较快的初凝时间和较高的初凝强度。所以，寻找具有良好抗压、抗拉性能，较强的抗裂性能和韧性以及较快的初凝时间和较高的初凝强度的复合打印材料的选择是当前3D打印技术在建筑工程施工中应用的关键。
3 我国3D打印建筑实例分析
我国首座3D打印建筑，是于2014年的4月建成的，位于上海张江高新青浦园区，10幢3D打印建筑的建筑过程仅花费了24个小时。该打印建筑的墙体是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，依据电脑设计的图纸和方案，经过一台大型的3D打印机层层叠加喷绘而成。在这些简易的房屋中安装上了窗帘、空调以及办公桌、文件柜等办公家具，工作人员就可以进行办公了。
2019年10月我国首个原位3D打印建筑在深圳宝安（龙川）产业转移工业园交付使用，该建筑是由中国建筑技术中心提供技术支持、中建二局广东建设基地负责施工的一栋两层的3D打印房屋。该项目的建成有助于建筑工业产业化发展。
随着3D打印技术的日益成熟，不仅带来了建筑工艺、建筑材料的革新，也为3D打印技术与建筑业融合发展创造了契机。该项目占地面积约120平方米，建筑面积约230平方米，建筑分为两层，一层为展厅，二层会客和办公使用。该项目施工首先根据设计图纸指挥挖掘机挖掘合适的地基深度，为3D打印建筑项目建设做好前期准备工作。施工过程中，该项目大致分为打印设备设计、打印材料配比试验、建筑结构设计及打印路径设计、设备进场调试、基础施工、3D打印施工及机电装修几个阶段，其中，4月初完成打印设备设计、进场及材料配比试验，6月初完成建筑结构设计及打印路径设计，6月30日3D打印建筑基础正式施工，10月初完成3D打印建筑施工并交付使用。这个有效的提高了施工的进度，为建筑施工技术的发展提供了宝贵的经验。
目前全球最大规模的混凝土3D打印步行桥于2019年1月在上海科普公园建成。该3D打印步行桥飘带造型的桥栏板、珊瑚纹路的桥面，好似一座“迷你”赵州桥横卧于池塘之上。该工程由清华大学（建筑学院）——中南置地数字建筑研究中心徐卫国教授团队设计研发、并与上海智慧湾投资管理有限公司历时7个月共同建造。该桥长26.3米，宽3.6米，使用3D打印混凝土技术分别打印出桥梁各个部件，并运用现代施工技术拼装完成。桥梁结构使用三维实体建模，在进入实际打印施工之前，进行了1:4缩尺实材桥梁破坏试验，其强度可满足站满行人的荷载要求。步行桥的打印运用了徐卫国团队自主开发的混凝土3D打印系统技术，该系统由数字建筑设计、打印路径生成、操作控制系统等创新技术集成，具有工作稳定性好、打印效率快、成型精度高、可连续工作等特点。该系统在三个方面具有独特的创新性：第一为机器臂前端打印头，它具有不堵头、且打印出的材料在层叠过程中不塌落的特点；第二为打印路径生成及操作系统，它将形体设计、打印路径生成、材料泵送、前端运动、机器臂移动等各系统连接为一体协同工作；第三为独有的打印材料配方，它具有合理的材性及稳定的流变性。工作时，两台机器臂3D打印系统花了450小时打印完成全部混凝土构件。与同等规模的桥梁相比，它的造价只有普通桥梁造价的三分之二；该桥梁主体的打印及施工未用模板和钢筋，大大节省了工程花费。值得注意的是，该桥预埋有实时监测系统，可以即时收集桥梁受力及变形状态数据，对跟踪研究新型混凝土材料性能以及打印构件的结构力学性能具有实际作用。该桥的落成标志着3D打印混凝土技术从研发向实际应用迈出了可喜的一步，也使得我国3D打印混凝土技术达到世界先进水平。
4 3D打印技术的特点
4.1缩短施工工期
3D打印技术施工过程中既不使用常规的砖瓦等建筑材料，也不需要传统的施工队伍进行施工，绝大部分的建筑构件都可以采用工业化的生产，也就是在工厂使用打印机进行建造，最后再到施工现场进行组装，使得生产效率得到大幅度的提升。
4.2节约工程成本
3D打印技术与以往建筑施工过程相比，速度要快很多，最重要的是在施工过程中不需要使用模具，在大幅度提高建筑生产效率，更主要得是起到节约成本的目的，有利于促使建筑行业的发展和转型。
4.3提高工程的质量
该打印技术的相关产品是没有缝隙的衔接，具有很强的稳固性和连接强度，将电脑中的程序与数字技术相互结合在一起可以促使建筑数据的精确性得到保证。同时使用坚固的建筑材料可以促使房屋质量得到保证，进一步完善渗漏、开裂等问题。
4.4绿色环保
3D打印技术能够做到绿色环保的进行工作，降低了对废弃物品的使用与排放，做到了利用绿色、环保的形式进行工程施工，进而有利于向绿色低碳方向发展。
5 结束语
3D打印技术的不断发展及应用对我们的生产生活中不断地发挥着更加广泛的作用，对建筑工程施工做出了重大的贡献，也是对建筑工程施工未来发展有着作用的促进作用，3D打印技术将会对改变传统的建筑工程的施工模式，将使得建筑施工向着更加绿色环保和节能的方向发展，为人类建筑施工技术的发展和创新创造新的辉煌。
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