3D打印技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用

王青

摘 要：近年來，3D打印技術(shù)在建筑中的應(yīng)用日趨廣泛，3D打印房屋成為建筑行業(yè)的科技熱點(diǎn)。文章從3D打印技術(shù)的工作原理出發(fā)，闡述了3D打印建筑的施工工藝，通過對(duì)3D打印建筑實(shí)例施工過程的研究，分析3D打印建筑的優(yōu)勢(shì)及亮點(diǎn)，提出了3D打印房屋的建筑價(jià)值所在。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；建筑工程；3D打印房屋

隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，建筑施工技術(shù)發(fā)生了日新月異的變化，新技術(shù)推動(dòng)了建筑的革新，熱門的3D打印技術(shù)、納米科技、生物科技、人工智能以及新能源產(chǎn)業(yè)這些新科技元素融入建筑中，對(duì)建筑行業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響和變化，對(duì)于未來建筑而言，為人們遮風(fēng)避雨的房屋只是最基本的功能，隨著科技的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代人對(duì)居住環(huán)境的所有要求，都將在未來建筑中得以實(shí)現(xiàn)。隨著3D打印技術(shù)在建筑中的廣泛應(yīng)用，房屋的建造周期大大縮短，施工效率將極大的提高，有效節(jié)省房屋建造的人力、物力、財(cái)力等各項(xiàng)資源，建造出綠色環(huán)保、節(jié)約資源的新型建筑。

1 3D打印建筑的工作原理

所謂3D打印技術(shù)，是利用光固化和紙層疊等方式實(shí)現(xiàn)快速成型的技術(shù)。它是將用內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等特殊“打印材料”組成的3D打印機(jī)，與電腦連接后，通過多層打印方式，把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。

3D打印建筑是通過3D打印技術(shù)建造起來的建筑物。3D打印建筑的工作原理體現(xiàn)在，它是由一個(gè)巨型的三維擠出機(jī)械構(gòu)成一個(gè)巨型3D打印機(jī)。在打印機(jī)的擠壓頭上使用齒輪傳動(dòng)裝置來為房屋建造基礎(chǔ)和墻壁，最終直接制造出建筑物的整體。

2 3D打印建筑的施工工藝

3D打印建筑的施工過程是打印機(jī)根據(jù)電腦設(shè)計(jì)圖紙和方案，層層疊加“油墨”噴繪相關(guān)結(jié)構(gòu)件，再將生成好的構(gòu)件運(yùn)送到施工的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝、搭建。為了使打印的建筑更加的牢固，在墻與墻之間還可使用鋼筋水泥進(jìn)行二次“打印”灌注，從而使得結(jié)構(gòu)連成一體。

3 3D打印建筑的實(shí)例分析

3.1 世界首座3D打印房

在荷蘭的阿姆斯特丹建造了世界上第一座3D打印房屋。這座3D打印房屋稱為運(yùn)河屋，它的建造過程是這樣的，該3D打印房屋是由荷蘭DUS建筑師事務(wù)所設(shè)計(jì)，一共13個(gè)房間，采用了被稱為KamerMaker大型3D打印機(jī)來建造，KamerMaker是荷蘭語“房屋建造者”的意思。該3D打印機(jī)高6米，以一個(gè)船運(yùn)集裝箱為基礎(chǔ)建造而成。2014年初開工，建成后將作為3D打印技術(shù)的研發(fā)中心來進(jìn)行研究該項(xiàng)技術(shù)。

荷蘭運(yùn)河屋的建造過程是根據(jù)計(jì)算機(jī)繪制的設(shè)計(jì)圖，使用不同的塑料和木質(zhì)纖維來制造建筑外墻、天花板和房間的其它構(gòu)件。然后將各部件在原地進(jìn)行裝配，像玩樂高玩具一樣搭建成大樓。對(duì)于荷蘭的運(yùn)河屋，英國《每日郵報(bào)》給予了高度評(píng)價(jià)：這棟大樓是“一種展示和研究，是3D打印建筑的一個(gè)實(shí)例”，是科學(xué)、建筑和設(shè)計(jì)的一個(gè)融合。可見，3D打印技術(shù)在建筑中的應(yīng)用給予了我們?nèi)祟惽八从械南胂蟆?/p>

3.2國內(nèi)3D打印房實(shí)例

國內(nèi)首座3D打印建筑，是于2014年的4月建成的，位于上海張江高新青浦園區(qū)，10幢3D打印建筑的建筑過程僅花費(fèi)了24個(gè)小時(shí)。該打印建筑的墻體是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，依據(jù)電腦設(shè)計(jì)的圖紙和方案，經(jīng)過一臺(tái)大型的3D打印機(jī)層層疊加噴繪而成。在這些簡易的房屋中安裝上了窗簾、空調(diào)以及辦公桌、文件柜等辦公家具，工作人員就可以進(jìn)行辦公了。

在陜西西安3D打印房也已經(jīng)落成，該建筑位于西安曲江遺址公園內(nèi)。在施工現(xiàn)場(chǎng)，通過對(duì)獨(dú)立的客廳、臥室、廚房、衛(wèi)生間等建筑模塊，進(jìn)行逐個(gè)的拼接、組裝、搭建。只需要花費(fèi)三小時(shí)就建成了一座二層的精裝別墅，業(yè)主只需擺上家具之后就能拎包入住。

4 3D打印建筑的技術(shù)亮點(diǎn)

3D打印建筑中所使用的油墨是一個(gè)技術(shù)亮點(diǎn)，它的亮點(diǎn)體現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)了建筑垃圾的再生利用，油墨是由一種特殊的材料所制成，3D打印機(jī)所用的油墨是經(jīng)過特殊玻璃纖維強(qiáng)化處理的材料。原料主要來自于建筑垃圾、工業(yè)垃圾和礦山尾礦，以及水泥、鋼筋和特殊的助劑所組成的材料。建筑垃圾通過處理、加工和分離形成油墨，最終成為3D打印機(jī)的原材料，有效進(jìn)行了建筑垃圾的二次利用，節(jié)省了建筑原材料的費(fèi)用。

以西安3D打印別墅為例，它的技術(shù)亮點(diǎn)體現(xiàn)在建造的效率高，兩層精裝別墅從生產(chǎn)到搭建只需要十幾天的時(shí)間。每一個(gè)模塊能夠獨(dú)立承重，能夠抵抗9級(jí)地震。在建造的過程中，通過鋼制籠式結(jié)構(gòu)能夠充分填充保溫材料，能夠達(dá)到很好的保溫效果。

3D打印模塊搭建的別墅，還可實(shí)現(xiàn)獨(dú)家訂制。在不遠(yuǎn)的未來，人們看中了哪棟建筑，或者喜歡哪套品牌家具，只要用照相機(jī)拍下來，或者是繪成圖紙，將設(shè)計(jì)圖紙輸入電腦，很快就可不走樣地打印出來，通過3D打印技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)。

5 3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍

在3D打印房屋火熱建造的同時(shí)，我們不禁會(huì)產(chǎn)生疑問，3D打印房屋是否堅(jiān)固耐用以及安全性如何，通過研究和試驗(yàn)3D打印房的強(qiáng)度和使用年限，3D打印機(jī)使用了經(jīng)過特殊強(qiáng)化處理的混凝土材料，從理論強(qiáng)度和使用年限上，都大大的超過了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，也就是說它的強(qiáng)度是沒有問題的。但在剛度和耐久性等綜合性能上，還需要在長期使用的過程中加以驗(yàn)證。對(duì)于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性上，3D打印可任意設(shè)計(jì)墻體結(jié)構(gòu)，一次性解決墻體的承重結(jié)構(gòu)問題，未來可應(yīng)用于橋梁、簡易工房、劇院、高層等建筑中。

3D打印建筑在未來將得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)于3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍，它不僅局限于建筑行業(yè)，它還可以應(yīng)用于我們的日常生活，例如家居用品、兒童玩具以及服裝制造業(yè)，還可以用3D打印技術(shù)來建造建筑模型，人像模型、醫(yī)療器械模型等，3D打印技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)制造、生物科技、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域也是起到了十分重要的作用。

6 結(jié)束語

3D打印房的建筑價(jià)值可以通過這樣一句話來進(jìn)行總結(jié)，吃進(jìn)去的是城市垃圾和沙漠，吐出來的是美麗的房子。3D打印建筑的建筑價(jià)值具體來講，體現(xiàn)在綠色環(huán)保、節(jié)約資源、以及人文情懷，綠色環(huán)保表現(xiàn)在它的建造過程中降低了揚(yáng)塵和污染，并且能夠改善城市的空氣質(zhì)量；節(jié)約資源體現(xiàn)在建筑垃圾可以再生利用，同時(shí)建造的效率高，建筑成本能夠節(jié)省50%以上，大大的提高了生產(chǎn)效率和節(jié)約資源；人文情懷體現(xiàn)在3D建筑具有超前的藝術(shù)性和概念性，實(shí)現(xiàn)了建筑的私人訂制。

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