3D打印建筑技術(shù)在旅游城市的應(yīng)用研究★

黃夢瑤 張 宏 蔣凌云 趙紫晶 李 娟 秦 勉

(吉首大學(xué)張家界學(xué)院，湖南 張家界 427000)

0 引言

3D打印技術(shù)擁有數(shù)字化、個性化、網(wǎng)絡(luò)化以及定制化等獨到之處，因其被稱為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一，從而引發(fā)了世界人民對3D打印技術(shù)的廣泛關(guān)注[1]。該文對3D打印技術(shù)的理念、材料、技術(shù)類型及其特征、國內(nèi)外的發(fā)展歷程及近況、優(yōu)劣勢分析等方面進(jìn)行探討，并分析其在旅游城市張家界市棚戶區(qū)的應(yīng)用前景。

1 3D打印技術(shù)的基本概況

1.1 簡介

3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)(Additive Manufactuning，簡稱AM)，其打印方式就是在普通2D打印的基礎(chǔ)上再加一維，使其最終產(chǎn)品成為一個三維立體的實物。工作流程為先利用軟件建立三維虛擬模型，3D打印機(jī)運(yùn)用特殊蠟材，粉末狀金屬等可粘合性材料的粘性，通過漸堆疊的方式制作出一個三維立體模型。這種立體打印的方式不僅節(jié)約了人力物力，而且更加方便、快捷、綠色、節(jié)能。

1.2 材料

建筑材料是建筑的基本組成成分，3D打印建筑技術(shù)使用的是彈性模量、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都較高的泡沫混凝土，其使用年限和抗震性能也十分出色。而這種材料最大的優(yōu)勢在于其原料來自建筑廢料，將這些建筑廢料通過分解和加工處理成為新的可用材料，使其在3D打印建筑的過程中不會產(chǎn)生粉塵和噪聲污染。在3D打印技術(shù)中，可以將其材料分為五大類，如表1所示。

表1 3D打印材料

目前，國內(nèi)外對材料進(jìn)行了一系列試驗。在美國，一些研究者用混凝土進(jìn)行試驗，國內(nèi)也有許多專家學(xué)者研究3D打印建筑材料。劉福財?shù)热税l(fā)明高性能粉末混凝土，其固化速度快，粘合性好；范詩建等人配出磷酸鹽水泥，使材料在抗壓和抗折強(qiáng)度方面得到了極大提升。

1.3 技術(shù)

1.3.13D技術(shù)

3D打印技術(shù)始于20世紀(jì)80年代中后期，其技術(shù)原理是把軟件建立的三維虛擬模型文件通過分層解析，通過與其配套的電腦處理分割為多個二維圖形的組合體。而與此同時，3D打印機(jī)內(nèi)的材料被擠壓通過噴頭逐漸堆積層疊，噴出的材料會迅速凝固而形成一個整體，最終形成三維實體模型，見圖1。

1.3.23D建筑技術(shù)

近幾年，3D打印在建筑行業(yè)上的運(yùn)用逐漸吸引了公眾的目光。目前應(yīng)用最廣泛的工藝就是“輪廓工藝”和“D-Shape”?！拜喞に嚒逼涔ぷ鳈C(jī)理是在計算機(jī)的控制下，材料通過噴頭噴出，按層堆積形成建筑輪廓，然后對其內(nèi)部進(jìn)行填充，完成房屋的構(gòu)造?！癉-Shape”是一款3D打印機(jī)，其工作機(jī)理是在計算機(jī)的控制下按照其預(yù)先設(shè)定的形狀由建筑物的底部開始打印然后逐層向上堆疊。

2 3D打印技術(shù)在國內(nèi)外的研究及在建筑領(lǐng)域的發(fā)展

2.1 國外研究現(xiàn)狀

從國際角度看，3D打印技術(shù)在各行業(yè)蓬勃發(fā)展。在航空航天方面，美國研制了全球首發(fā)微重力3D打印機(jī)。在醫(yī)學(xué)方面，PrintAlive Bioprinter團(tuán)隊研發(fā)皮膚3D生物打印。在軍事方面，美軍考慮打印各種型號的彈頭。在建筑行業(yè)，美國明尼蘇達(dá)州的承包商Andrey Rudenko運(yùn)用3D打印技術(shù)打印出了一座城堡，菲律賓劉易斯大酒店老板Lewis Yakich用3D打印技術(shù)打印出了一座別墅式酒店。該酒店面積為10.5 m×12.5 m，高3 m，共計130 m2。3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域見圖2。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

在國內(nèi)，3D打印技術(shù)在各行業(yè)也都有了不錯的成果。尤其是在建筑方面，盈創(chuàng)新材料有限公司成功在2014年3月在上海青浦區(qū)打印出10棟房屋，共用時24 h。目前，華商騰達(dá)公司掌握了3D整體現(xiàn)場打印技術(shù)。相對于先前“先打印，后組裝”的模式，現(xiàn)場整體打印的難度更大，華商騰達(dá)公司研發(fā)出的超大型3D打印即可直接在現(xiàn)場整體打印房屋，打印寬度可達(dá)到20 m，而高度可以無限延伸。預(yù)計不久將來，此設(shè)備將會在行業(yè)中起領(lǐng)軍作用，打印建筑實例見圖3。

3 3D打印建筑技術(shù)的優(yōu)劣勢分析

3.1 3D打印建筑技術(shù)的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)建筑技術(shù)對比，3D打印技術(shù)不需要模具且用時短、成型快、建筑效率高。生產(chǎn)過程中人為干擾因素較少，產(chǎn)品的質(zhì)量更加穩(wěn)定；可以根據(jù)客戶的需求建造出傳統(tǒng)建筑技術(shù)無法建造出的復(fù)雜形狀的建筑，且其形狀越復(fù)雜，尺寸越小，精度要求越高，3D打印技術(shù)的優(yōu)勢越明顯；建造工程中產(chǎn)生的建筑垃圾極少，并且其打印材料可以由建筑垃圾加工回收利用，既能節(jié)約成本，又符合國家的可持續(xù)發(fā)展觀；3D打印建筑所需的人力較少，減少了工人的勞動強(qiáng)度且節(jié)約了成本。

3.2 3D打印建筑技術(shù)的劣勢

同其他新興工業(yè)一樣，3D打印建筑技術(shù)也有其軟肋。迄今為止，國內(nèi)外3D打印出的建筑物多為1層～2層，最高為6層，如何利用3D打印技術(shù)打印出高層建筑是目前亟需解決的問題。

4 張家界建筑基本情況及對經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等方面的影響

4.1 基本情況

眾所周知，張家界是一座旅游城市，流動人口數(shù)量較大，但常住人口只有151.9萬人，也意味著對于居住建筑的需求量較小。但據(jù)資料顯示，張家界建筑業(yè)總產(chǎn)值出現(xiàn)負(fù)增長，商品房開發(fā)節(jié)奏緩慢，而住房均價不斷提升，與此相較而言，本地居民的居住水平存在著大量的置業(yè)需求。自從張家界被確定為國家旅游綜合改革試點城市以來，城市化建設(shè)步伐的加快勢在必行，舊城改造將要引發(fā)的剛性需求會在未來幾年內(nèi)大量釋放出來。

4.2 影響

1)對經(jīng)濟(jì)方面的影響。

一個城市中建筑業(yè)的發(fā)展能夠影響一系列產(chǎn)業(yè)的增長。就以張家界而言，目前發(fā)展面臨的最大的問題是基礎(chǔ)太差，城市化建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到一個國際休閑度假旅游城市的應(yīng)有水準(zhǔn)，所以加快建筑業(yè)的進(jìn)步就顯得迫在眉睫。

2)對環(huán)境方面的影響。

一個城市想要發(fā)展，建筑行業(yè)勢必得被提上日程，新建住房也會成為一個手段。但是，新建住房會產(chǎn)生建筑垃圾，建筑垃圾會造成環(huán)境污染，其危害主要表現(xiàn)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]，堆放的垃圾經(jīng)雨水淋濕滲透后會產(chǎn)生大量的有害物質(zhì)，若任由這些有害物質(zhì)流入河流、湖泊或滲入地下水，會造成無法挽回的地表和地下水污染[3]。

5 3D打印建筑技術(shù)在張家界市的前景展望

張家界作為新興的國際旅游城市，其自然風(fēng)光，人文景觀吸引著海內(nèi)外游客。旅游業(yè)的發(fā)展推動了建筑業(yè)的需求，民宿、旅館、酒店等建筑在景區(qū)附近的需求量大，而3D打印建筑技術(shù)時間短，修建效率高等優(yōu)勢適合張家界引進(jìn)。就投資者而言，修建建筑所需求成本應(yīng)盡量低，而3D打印建筑技術(shù)能使建筑設(shè)計者省去繁雜流程，各專業(yè)領(lǐng)域的建筑設(shè)計師可同時在三維模型中完成方案的設(shè)計，節(jié)省設(shè)計流程，降低相應(yīng)費用?？墒垢嗤顿Y者引用3D建筑技術(shù)在張家界這座旅游城市進(jìn)行投資，推動張家界市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，伴隨著張家界的發(fā)展大規(guī)模的拆除建筑隨處可見，其建筑垃圾通過傳統(tǒng)處理所耗費的人力、財力巨大，而3D打印建筑技術(shù)采用建筑廢棄材料為原料，符合資源節(jié)約型和環(huán)境友好型“兩型社會”的建設(shè)要求，既節(jié)約了材料，又保護(hù)了環(huán)境。