3D打印技术在建筑领域的应用*
肖绪文'²，田伟”，苗冬梅”
3.中国建筑第八工程局有限公司，上海200122；4.浙江大学建筑工程学院，渐江杭州310058） （1.中国建筑股份有限公司，北京10037：2.中国建筑业协会爆色施工分会，北京100037；
[摘要】3D打印是一种以数字模型为驱动源，通过逐层打印的方式来构造物体空间形态的快速成型技术.首先介绍了3D打印机的工作原理、应用领域以及发展现状；重点介绍了3D打印在建筑领域中的应用.通过分析3D打印技术在工程建造领域中的应用现状和存在问题，提出了解决思路，最后讨论了目前3D打印应用于建筑领域的优势和前景.
[关键调】3D打印：复合材料；抗拉强度；设计方法；施工工艺
[中图分类号】TU74 [文献标识码]A
[文章编号】1002-8498（2015）10-0079-05
Applicationof3DPrintingTechnologyinBuildingField
XiaoXuwen'² Tian Wei Miao Dongmei(1. China State Constraction Enginering Co. Lad. Beijing 100037 China;2.China Constrctin Indtry Asciation Green Contruction Commiee， Bejing100037 China;4. College of Cinil Engineering and Archiecure ef Zhjiang Uniniy Hngzhos Zhrjiang310058 China) 3. China Conatraction Eighzh Engineering Dirision Co. Lad. Shanghai 200122 China;
oosodud layer by layer printing which is driven by digital model. The mechanism application field anddevelopment status of 3D printing technology are firstly introduced and the application in construetionfield is then fully investigated. Subsequently many thoughts on the solution are proposed after theanalysis of current situation and potential issues that exist in the use of 3D printing technology inconstruction area. Finally a discussion on advantages and prospect of 3D printing technology in building area is presented.
Key words:3D printing: posite material; tensile strength; design method; construction
体空间形态的快速成型技术.由于其在制造工艺设计）技术完成一系列数字切片，并将这些信息传 金属或非金属材料，通过逐层打印的方式来构造物的原材料.3D打印时，软件通过CAD（计算机辅助方面的创新，被认为是“第三次工业革命的重要生送给3D打印机，打印机分层打印并将连续的薄层产工具"[）.3D是“threedimensions”简称，3D打印堆叠起来直到一个物体成型.根据成型原理的不制造、工业设计等领域，目前已经应用到许多学科领域，各种创新应用正不断进人大众的视野（.
3D打印是一种以数字模型为基础，运用粉末状的原料，3D打印机使用的不是墨水，面是实实在在
代得以发展和推广.3D打印技术一般应用于模具1.1SLA技术
立体光固化成型技术（SLA，stereo lithographyapparatus）（，SLA技术为最早发展的3D打印技术，该技术以液态光敏树脂为原料，主要用于模具制造，目前仍为3D打印的主流技术之一.
13D打印技术进展情况
3D打印机与传统打印机最大的区别在于使用
切片处理以生成扫描路径数据：激光束沿扫描路径 SLA技术工艺过程如下：首先对三维模型进行照射到液态光敏树脂表面，被照射的树脂薄层产生光聚合反应面固化形成零件的一个薄层；然后升降台下降一定的高度，在固化层表面覆盖另一层液态
1.2FDM技术
1.3SLS技术
1.4L0M技术
成三维零件原型.最后将原型从树脂中取出，经打磨、电镀、喷漆等处理即可得到产品.
SLA技术具有成型速度快、打印精度高、表面质由于树脂固化过程中易产生收缩，不可避免地会产粘压装置将其与已切割层黏合在一起，进行下一次生应力或引起变形.因此开发收缩小、固化快、强切割，不断重复并最终形成三维构件.度高的光敏材料是SLA技术的发展趋势.
modeling），该方法是ScottCrump在20世纪80年 熔积成型技术（FDM，fuseddeposition代发明的.
FDM技术以石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝等控制温度比熔点高1℃.打印头根据计算机提供的 截面信息作平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后即形成零件的一层截面；此后打印头上印的钛合金骨植人一位患口腔癌的比利时妇女的移一定高度，进行材料的下一层涂覆，这样逐层堆积即可形成三维零件.
成本低、污染小、材料可回收等优点.主要缺点在 FDM技术主要用于中、小型工件的成型，且有于精度稍差、制造速度慢、使用的材料类型有限.
sintering）[”SLS技术最初由美国的Carlckard于 选择性激光烧结技术（SLS，selective.laser1989年在其硕士论文中提出.SLS技术采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层叠加生成所需的零件.
SLS技术工作原理如下：工作时粉末缸活塞上算机控制激光束的扫描路径，有选择地烧结固体粉术做出了适合研究的3D化石模型，不仅保留了原 升，铺粉辊将一层粉末均匀铺在成型缸活塞上，计末材料从面形成零件的一个层面.烧结完成一层化石的外在特征，面且还可以做比例缩减，使后，工作活塞下降一个层厚的距离，铺粉系统重新铺上粉末，激光束再扫描烧结新层.如此循环往 复，直到三维零件成型.
SLS技术最突出的优点在于它所能使用的材料十分广泛.目前SLS技术可采用的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末以及它们的复合粉末.金属面且会改变工业领域的生产方式，图2为世界上粉末SLS技术是近年来研究的一个热点，该技术可 直接烧结传统切削工艺难以制造的高强度零件.
分层实体制造技术（LOM，laminatedobjectmanufacturing）”，该技术是美国Helisys公司于11.5em的国宝文物“金怪兽”.通过3D打印出来 1991年研制成功的一种快速原型制造技术.LOM的复制品和文物原件几乎一模一样，如图3所示.技术常用的材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除可以制造模具、模型外，还可直接制造结
树脂并进行第2次激光扫描：这样层层叠加即可形构件.
LOM技术成型原理如下：激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓数据，将涂有热熔胶的纸用激光切割出构件的内外轮，并将废料部分切割成量好、打印模型尺寸大（可达1524mm）等优点，但网格.切割完一层后，叠加新的一层纸，并利用热
LOM技术的特点是成本低、效率高、稳定可靠、适合大尺寸制作.缺点是前、后处理复杂，且不能制造中空构件.
23D打印技术的应用领域
3D打印技术可以应用于任何行业，只要这些行业需要模型或原型.其中对3D打印技术需求较大以及食品行业（）.
1）医疗行业2012年外科医生已成功将3D打下巴，如图1所示，这仅仅是3D打印技术在医疗行业的开始，科学家正在研究打印人体心脏瓣膜和肾脏等人体器官
图13D打印的钛合金骨下巴 q oe
2）科学研究美国的研究人员利用3D打印技之更适合于研究.
3）工业领城现代工业新产品的开发往往需出之前需要做很多模型和零部件.3D打印技术可 要事先制作模型，比如手机、汽车、飞机等产品在推以直接打印产品，不仅大大减少前期研发的时间，第1辆3D打印汽车urbee.
原始作品不受环境或意外事件的伤害”.陕西历 4）文物保护博物馆常常会用替代品来保护史博物馆不久前用了14h打印了长11cm、高
5）食品产业美食爱好者已经尝试用3D打印
荷兰DUS建筑师正在利用一台名为KamerMaker的这栋建筑代号为“CanalHouse”，共有13个房间组地上“奠基”，如图6所示，整个建筑有望3年内构 成.目前整个项目已经开始在北部运河的一块空建完成.
图2世界上第1辆3D打印汽车urbee
Fig. 2 The first 3D printing car urbee in the world
图53D打印足尺建筑
Fig. 5 3D printing full-scale buildings
图33D打印的国宝“金怪兽”
机打印巧克力和曲奇饼干.营养师考虑根据个人的基础代谢量和每天的活动量利用3D打印机打印 每日所需的食物，以此来控制肥胖、糖尿病等问题.
33D打印技术在工程实践中的应用
图6Canal House 工地现场Fig.6 Construction site of Canal House
3D打印技术在建筑领域的应用目前可分为2方面：一是在建筑设计阶段，主要是制作建筑模型；二是在工程施工阶段，主要是利用3D打印建造技 术建造足尺建筑.
3D打印建造技术在工程施工中的应用在当前形势下有重要意义.我国逐渐步人老龄化社会，在 劳动力越来越紧张的形势下，3D打印建造技术有利于缩短工期，降低劳动成本和劳动强度，改善工人的工作环境.另一方面，建筑的3D打印建造技术也有利于减少资源浪费和能源消耗，有利于推进我国的城市化进程和新型城镇化建设.但3D打印 建造技术也存在很多问题，具体如下.
在建筑设计阶段，设计师们已经开始使用3D打印机将虚拟中的三维设计模型直接打印为建筑模型，这种方法快速、环保、成本低、模型制作精美.目前3DSYSTEM公司的3D打印机能以石膏粉为 原料打印彩色建筑模型，如图4所示.
3.1打印材料
目前广泛应用的建筑材料--混凝土抗压性能良好，抗拉性能却较差，因此尽管英国的阿斯普丁在1824年就发明了波特兰水泥，但混凝土结构的 大规模应用直到钢的出现才得以实现.现在的钢筋混凝土结构体系中，在构件的受拉部位布置钢筋用以承受拉力.混凝土材料受压，钢筋受拉，两者协同工作形成一个整体.如采用单一打印材料，对以承受压力为主的墙柱构件在大部分条件下是 合适的，墙柱构件只有在大偏心受压的情况下才会出现边缘混凝土受拉，但对于梁板等受弯构件还是不适合的.
Fig.4Colour architecture model 图4彩色建筑模型
在工程施工阶段，3D打印技术的应用还处于探索阶段.国内在这方面的实践处于领先地位，近日10幢3D打印建筑在上海揭开神秘面纱.这些建筑的墙体是以特殊“油墨”为原料，计算机根据设计图纸控制1台大型的3D打印机层层叠加打印而 成，如图5所示.国外在这方面也展开了一些实贱，
目前采用的3D打印材料都是以抗压性能为主，抗拉性能较差，一旦拉应力超过材料的抗拉强
度，极易出现裂缝，如图7所示.正是因为存在着这属于探索阶段，没有成熟的设计理论和方法可以借砌体结构在材料性能和建造工艺上有较大区别，因此需要在借鉴现有规范的基础上研究适合于3D打印建筑的设计理论和设计方法.
个问题，所以目前3D打印房子的楼板只能采用钢鉴.由于3D打印建筑与传统的钢筋混摄土结构和筋混凝土现浇或预制楼板，如图8所示.
对于3D打印多层住宅，由于荷载不大，对墙构件可以不配钢筋，因此可以参考《砌体结构设计规范》CB50003-2001中的无筋砌体的设计方法，目前需要解决以下问题：①确定3D打印建筑的静力 计算方案；②确定墙体的折算厚度计算方法以及受压稳定承载力公式：③确定3D打印墙体的高厚比限值：④3D打印墙体局部受压承载力计算方法：3D打印建筑的抗震性能，确定3D打印建筑的抗震计算方法及圈梁设置、构造柱布置等抗震构造要求.
图7屋顶裂缝Fig.7Cracks on the roof
对于3D打印高层建筑，在参考（高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010的基础上，需要解决以下问题；①3D打印高层建筑的结构体系和计算方法：②3D打印墙体的配筋方法及配筋构造：③3D打印配筋墙体的承载力计算：④3D打印配筋结构的抗 震性能，确定3D打印建筑的抗震计算方法及抗震构造要求.
3.3施工工艺
图8预制钢筋混凝土楼板
3D打印建造技术作为一种全新的施工方法，与传统的施工方法相比有诸多的不同点，其在施工工
Fig.8Precast reinforced concrete slab
此外，由于采用单一材料，没有钢筋的抗拉作艺方面存在以下问题.了抗拉能力，这会导致构件的连续破坏.所以打印缩和徐变等引起的裂缝.另一方面，材料应有韧撑，打印结果很可能是会变形的.对于3D打印建 材料本身应具有良好的抗裂能力，能抑制本身的干性，从结构的安全角度考虑，要防止出现构件的脆性破坏，从构件出现裂缝到构件损坏乃至结构倒場，应有一定的时间和足够的构件变形量，以给出警示并有充足的时间方便人员撤离.
用，对于混摄土类材料来说，一旦出现裂缝就丧失3.3.1支撑问题
打印材料在形成强度之前都存在一个支撑问题，如果在一个复杂部件内部没有设计合理的支筑来说，结构材料自重大，支撑问题尤为突出.打印材料达到设计强度之前时间较长，如目前的混凝土的养护龄期为28d，对于梁板构件，达到75%强度因此对于3D打印建筑来说，如要在现场一次成型 需要2周左右.在这段时间内，支撑是必不可少的.
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打印建筑，如何设置支撑是一个必须解决的问题.有形成足够的强度，就会在压力作用下变形，因此程，只要点一下打印按钮，3D打印机就能打印出设 对下层材料形成压力，如果下层材料在短时间内没打印材料还应具有较快的初凝时间和较高的初凝强度.
的和易性.并且在打印过程中上层材料的堆积会3.3.2找平问题
在很多人的概念中，3D打印是一个简单的过计好的三维模型.其实这个概念并不正确，打磨、烧结、组装、切割这些后期工序是无法避免的.如3D打印出来的手枪，表面比较粗糙，需要经过打磨、切割等工序才能得到成品.目前3D打印房子的墙面比较粗糙，表面凹凸不平，如图9所示，需要后续 工作对墙面进行找平、抹灰等处理才能投人实际使用，或者在打印阶段就考虑对墙体进行抹平处理.
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是当前3D打印技术在建筑工程施 工中应用的关键.
3.2设计方法
目前3D打印建造技术在工程施工中的应用还
Fig.9 Rough surface 图9租糙的表面
3.3.3配筋问题
目前的3D打印材料还存在性能较差等诸多间题，如要在此基础上建造3D打印建筑，对构件配是一个相对简单的方法，但是如何在打印过程中实打印建造技术.等多方面因素的综合性问题，需要多学科配合才能解决.
43D打印建造技术的发展思考
于设计阶段，在建筑施工阶段的应用还处于探索阶 3D打印技术在建筑领域的应用目前主要集中段，有很多实际问题需要解决，但3D打印建造技术能节省材料，减轻劳动强度和劳动成本，具有很好的市场前景，符合国家的可持续发展规划”，因此我们相信3D打印建造技术的应用前景是广國的. 针对3D打印建造技术目前存在的问题，有如下思路和方法可供参考.
1）研发具有较高抗拉强度、较强抗裂能力和塑性的复合材料，可以通过在混凝土基材中加人纤维材料和细骨料的方法来提高其抗拉强度和各项性 能指标.
2）采用两种打印材料，一种为受压材料，一种为受拉材料，打印时设置双打印头，在构件的受拉打印材料之间必须具有良好的黏结性能，才能有效 部位打印受拉材料，受压部位打印受压材料.两种形成一个整体工作.
3）采用受拉性能良好的模板，将受压材料打印在模板中.模板可以起到3个作用：一是支撑作用；二是作为受拉材料，起到类似于钢筋的作用；三是 可以解决打印材料表面粗糙的问题.模板材料可以采用钢板或者受拉性能良好且有一定刚度的纤维材料.
4）开发机械支撑模板设备，在打印过程中可为打印材料提供支撑，在材料达到一定强度后又可迅 速拆卸并重复利用.
5）打印机械的研制，打印机械是实现3D打印建造技术的重要工具.打印机械的移动范围直接影响到可打印建筑的尺寸，打印喷头的性能直接影
现对构件的配筋是一个需要考虑机械、材料、工艺5结语
参考文献：
响到打印精度和打印效果.设计合理的打印机械是实现3D打印的必要条件.
在政府层面，应借鉴国外关于3D打印技术的推广经验和成功实践，加紧制定适合我国国情的法 规制度，推进3D打印技术在建筑领域的应用.
1)逐步建立材料性能相当于C10~C80的3D打印材料体系，并公布材料的配方，建立一批3D打印材料企业，降低3D打印材料价格.
艺、验收标准等方面的相关标准体系. 2）逐步建立3D打印建筑在设计方法、施工工
3）建立有效的激励机制，严格的考核制度，大力推广建筑的3D打印建造技术，鼓励企业采用3D
钢筋混凝土理论和现代建设技术在100多年的发展时间里，就让世界发生了翻天覆地的变化，一座座摩天大楼拔地面起，大桥、隧道、地铁随处可们带来意想不到的改变（1）.哥本哈根未来研究 见，我们相信，3D打印建筑时代的来临一定会给我学院名誉主任约输帕鲁坦的一句话值得我们深思：我们的社会通常会高估新技术的可能性，同时却又低估它们的长期发展潜力.
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（施工技术）官方
