李忠富，何雨薇

(大連理工大學(xué)建設(shè)管理系，遼寧大連 116024)

3D打印技術(shù)在建筑業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

李忠富，何雨薇

(大連理工大學(xué)建設(shè)管理系，遼寧大連 116024)

為分析3D打印技術(shù)在建筑業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，并探索出適合在我國(guó)建筑業(yè)領(lǐng)域中推廣3D打印技術(shù)的發(fā)展思路，采用文獻(xiàn)調(diào)研方法，介紹了3D打印技術(shù)的概念、國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷史以及3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)外建筑業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀。論文采用案例分析方法介紹了國(guó)內(nèi)外4個(gè)3D打印建筑的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，同時(shí)結(jié)合3D打印技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)劣勢(shì)分析，提出了在我國(guó)建筑業(yè)推廣應(yīng)用3D打印技術(shù)的發(fā)展思路與建議，最后得出結(jié)論:在我國(guó)建筑業(yè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用3D打印技術(shù)具有可行性和廣闊前景，與傳統(tǒng)建造方式相比該技術(shù)有很大優(yōu)勢(shì);此外，3D打印技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)建筑業(yè)領(lǐng)域仍存在技術(shù)不夠成熟、投入不足、人才短缺等問(wèn)題，需要在發(fā)展技術(shù)、政策、教育宣傳等方面的基礎(chǔ)上高效推廣應(yīng)用。

3D打印技術(shù);建筑業(yè);3D打印住宅

最近，以美國(guó)著名趨勢(shì)學(xué)家杰里米·里夫金為代表的學(xué)者關(guān)于“第三次工業(yè)革命”的呼聲引起全球范圍內(nèi)的極大關(guān)注。新一輪的工業(yè)革命創(chuàng)建了新的生產(chǎn)方式和生活方式。第三次工業(yè)革命的核心內(nèi)容是“制造業(yè)數(shù)字化”，并將帶動(dòng)全球技術(shù)要素及市場(chǎng)要素配置方式的革命性變化。制造業(yè)的生產(chǎn)方式正發(fā)生著日新月異的變革，工程建設(shè)行業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)、制造行業(yè)都有一種融合的趨勢(shì)［1］。作為一種突破傳統(tǒng)的建造生產(chǎn)方式以及鏈接工廠化、信息化生產(chǎn)的新型技術(shù)，3D打印正悄然走向建筑業(yè)。

目前，世界多國(guó)科學(xué)家都非常重視3D打印技術(shù)的利用和改進(jìn)，推廣其在工業(yè)活動(dòng)中的廣泛應(yīng)用，尤其是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研發(fā)過(guò)程中對(duì)3D打印技術(shù)的認(rèn)可度已經(jīng)相當(dāng)高。在國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)也受到了廣泛關(guān)注，并取得了一定的成績(jī)。在國(guó)家多種項(xiàng)目基金的扶持下，中航集團(tuán)用3D打印技術(shù)制造了飛機(jī)零件;黑龍江工程大學(xué)研發(fā)的3D打印機(jī)價(jià)格是國(guó)外同類型打印機(jī)的一半，卻能打印出8倍于國(guó)外打印機(jī)打印的零件體積;清華大學(xué)及國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)在科技部的資助下進(jìn)行了3D打印設(shè)備研發(fā)、3D數(shù)字化掃描、3D打印數(shù)字化設(shè)計(jì)、打印產(chǎn)品后處理等一系列研究，并建立了研發(fā)促進(jìn)中心;國(guó)內(nèi)很多城市還建立了3D打印展覽館普及3D打印技術(shù);另外，西安交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等科研院所為推廣及研究3D打印技術(shù)奠定了基礎(chǔ);國(guó)家工程中心、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為推動(dòng)3D打印技術(shù)的發(fā)展提供動(dòng)力［2］。

1 3D打印的概況

1.1 3D打印的概念

3D打印(3Dimensional Printing)技術(shù)目前正在制造業(yè)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展，被譽(yù)為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”。學(xué)名是增材制造(material additivemanufacturing)，3D打印技術(shù)的主要生產(chǎn)過(guò)程是:通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)立體數(shù)字模型文件作為基礎(chǔ)的加工制作樣式，再通過(guò)特定的成型設(shè)備(即“3D打印機(jī)”)，用絲化、液化、粉末化固體材料(金屬、塑料等)逐層“打印”再疊加成不同形狀連續(xù)層的方式來(lái)構(gòu)造三維物體［3］。其實(shí)質(zhì)就是快速成型技術(shù)(Rapid Prototyping，RP)。

1.2 3D打印技術(shù)的發(fā)展概況

3D打印技術(shù)最早可以追溯到上世紀(jì)80年代，過(guò)去其常用于打印工業(yè)設(shè)計(jì)、模具制造等領(lǐng)域的模型，目前該技術(shù)廣泛應(yīng)用于建筑、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、航空航天、工程和施工(AEC)、地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域［4］。目前已經(jīng)有用3D技術(shù)打印出的巧克力、飛機(jī)、人造肝臟組織、金屬手槍等。在建筑業(yè)領(lǐng)域:2014年，中國(guó)首個(gè)3D打印建筑房屋項(xiàng)目于青島啟動(dòng)。2014年4月，十幢3D打印建筑亮相上海，建造過(guò)程僅花費(fèi)24小時(shí)。2014年初荷蘭建筑工作室環(huán)球建筑公司開(kāi)工打印一座69米的3D景觀別墅，該建筑形式是基于一個(gè)莫比烏斯帶循環(huán)形式的3D打印建筑。2014年年初，倫敦設(shè)計(jì)工作室Softkill提出使用3D打印技術(shù)建造基于骨架形式的概念房屋，以纖維尼龍為結(jié)構(gòu)，制作所有的部件需要三個(gè)星期，組裝起來(lái)則只需要一天，這可以緩解日益嚴(yán)重的英國(guó)住房危機(jī)。2014年年初，荷蘭阿姆斯特丹的建筑師們已經(jīng)開(kāi)始著手通過(guò)3D打印技術(shù)制造出世界上首個(gè)全尺寸3D打印房屋。項(xiàng)目前3周就打印好了一面高3米的墻角。同時(shí)也完成了建筑內(nèi)框架的打印，并預(yù)留出空間布置電線、水管，預(yù)計(jì)完成整幢房屋搭建需要三年時(shí)間。2014年4月，萬(wàn)科公司創(chuàng)始人、現(xiàn)任集團(tuán)董事會(huì)主席王石也表示萬(wàn)科的建研中心也將著手運(yùn)用3D打印技術(shù)制造住宅。

1.3 3D打印技術(shù)在建筑業(yè)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的建筑建造過(guò)程速度慢、不安全、成本高。并且施工危險(xiǎn)、勞動(dòng)強(qiáng)度大。隨著技術(shù)改進(jìn)，3D打印技術(shù)已經(jīng)可以“打印”方形、環(huán)形、圓形以及不規(guī)則形狀的房屋部件，甚至也有能力“打印”一整棟房屋［5］。

從原理上“打印”房屋和打印其他物品并無(wú)區(qū)別，只是改變了材料、尺度。用傳統(tǒng)方法建造房屋需要眾多步驟，使用3D打印技術(shù)就容易得多。具體打印過(guò)程如下:先在待建房屋的空地上安裝大型“打印”設(shè)備，該過(guò)程大概僅需要兩三名工人幾個(gè)小時(shí)時(shí)間。該設(shè)備外觀類似兩邊有滑軌的巨大行車，根據(jù)房屋3維設(shè)計(jì)圖紙，穩(wěn)定、均勻擠壓混凝土，一層一層疊加“打印”，與此同時(shí)機(jī)械手還能進(jìn)行其他建筑材料的安裝，甚至可以做像鋪設(shè)瓷磚這樣的精細(xì)活［6］。據(jù)估算，建一棟2500平方英尺(約232.3平方米)的房屋僅需20小時(shí)左右。這樣的3D“打印機(jī)”不僅能“打印出”一棟房屋，還能夠建造一整片房屋，并且可令房屋呈現(xiàn)樣貌多樣化。

國(guó)內(nèi)目前采用的3D打印建筑原料主要是建筑垃圾、礦山尾礦及工業(yè)垃圾，其他材料主要是水泥、鋼筋，還有特殊的助劑。房屋是在工廠內(nèi)以樓層為單位打印好，切割后再運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)拼裝。樓板則是現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)澆的以方便運(yùn)輸。目前國(guó)內(nèi)用3D打印技術(shù)打印整幢建筑在技術(shù)上已沒(méi)有問(wèn)題。未來(lái)只要把建筑3D打印機(jī)運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)，就可以打印整幢樓房，甚至是一二百米高的高層建筑。

在建筑業(yè)中引進(jìn)3D打印技術(shù)是一次巨大的改革創(chuàng)新。今后住戶不僅可以定制家居，還可以定制個(gè)性化的房屋，打印多種特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)件，一套房對(duì)應(yīng)一張?jiān)O(shè)計(jì)圖。小區(qū)內(nèi)的房屋建筑在整體保持風(fēng)格協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上不再千篇一律。

1.3.1 國(guó)外應(yīng)用3D打印技術(shù)建筑房屋的經(jīng)典案例

(1)荷蘭建筑工作室環(huán)球建筑公司計(jì)劃2014年開(kāi)工打印一座69米的3D景觀別墅，該建筑形式是基于一個(gè)莫比烏斯帶循環(huán)形式的3D打印建筑，計(jì)劃十八周建成，采用沙和粘合劑混合的材料打印樓板，天花板的輪廓形狀，得到中空卷的形式，再往其中灌入纖維增強(qiáng)混凝土來(lái)保障強(qiáng)度，外覆金屬層。建筑結(jié)構(gòu)中所有能看到的一切都是3D打印的，比如打印的弧形墻體，甚至包括里面的樓梯，最后將這些構(gòu)件進(jìn)行拼接組裝。這臺(tái)工業(yè)用3D打印機(jī)名叫“蓋房者”，按照電腦設(shè)計(jì)圖噴出熔融塑料線，線條粗細(xì)是標(biāo)準(zhǔn)3D打印機(jī)線條的10倍左右，能夠打印長(zhǎng)2米、寬2米、高3.5米的預(yù)制件。一塊塊類似的預(yù)制件像樂(lè)高積木一樣壘起來(lái)，搭建成大樓。預(yù)制件呈蜂巢狀，給各種纜線和管道留下空間，如圖1所示。

圖1 3D打印的景觀別墅

在該景觀房設(shè)計(jì)之前，現(xiàn)有技術(shù)可以很容易用打印垂直物體如“柱”，但是不能打印水平連接的物體如“梁”，但設(shè)計(jì)采用3D打印中空結(jié)構(gòu)再填入加強(qiáng)混凝土后，水平結(jié)構(gòu)上部就可以承受豎直方向的荷載，這一思想為各種形式的建筑設(shè)計(jì)開(kāi)創(chuàng)了可能性。該3D打印該建筑的另一個(gè)好處是無(wú)需使用傳統(tǒng)施工用的木材模具然后拆除，由于是曲線結(jié)構(gòu)，如果采用傳統(tǒng)施工將會(huì)非常復(fù)雜，但如果使用3D打印技術(shù)，可以打印所設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)或曲形的樓梯等任何復(fù)雜形狀的構(gòu)件。目前存在的問(wèn)題是只能斷續(xù)打印大的構(gòu)件再拼接，不能整體連續(xù)一次成型，但可以一次打印成型曲線樓梯等結(jié)構(gòu)，未來(lái)3D打印還將著重于從上到下整體連續(xù)打印技術(shù)水平的提高。此建筑的設(shè)計(jì)者認(rèn)為，如果只是為了縮短工期，可以選擇用彎鋼來(lái)拼接建造，所有構(gòu)件都可以在工廠預(yù)制，這樣可以六個(gè)月內(nèi)完工，但是3D打印最終是更具優(yōu)勢(shì)的。

(2)2014年年初，倫敦設(shè)計(jì)工作室Softkill提出使用3D打印技術(shù)建造概念房屋，該房屋設(shè)計(jì)為單層住宅，模仿骨架的纖維結(jié)構(gòu)，打印占地面積約8 m×5 m，在工廠用激光燒結(jié)的生物塑料分8個(gè)組件進(jìn)行3D打印，每個(gè)組件大概2到2.5 m長(zhǎng)，寬1 m，打印好的各個(gè)組件再用卡車運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)拼接，由于材料輕質(zhì)，拼接過(guò)程無(wú)需螺栓，焊接等［7］，這些組件可以在3周內(nèi)打印完成，并在現(xiàn)場(chǎng)一天組裝完成。覆層材料和屋頂可以用靈活的纖維織物打印并覆于建筑上。該結(jié)構(gòu)多孔，雨水可以滲入，在內(nèi)部做防水工作。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在發(fā)展打印一種“幕”可以用于室內(nèi)膜表面或外部防水嵌板和表面。采用0.7mm半徑的纖維材質(zhì)，可以用來(lái)打印建筑內(nèi)元素如結(jié)構(gòu)、家具、樓梯、門面等(圖2)。

圖2 3D打印結(jié)構(gòu)樣式

3D打印與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的最大區(qū)別是跳過(guò)了制造環(huán)節(jié)，但3D打印材料的成本還是遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)建筑材料如磚、砌塊等，所以3D打印大體積物體的價(jià)格仍是一個(gè)大問(wèn)題，故目前主要研究薄而多孔的結(jié)構(gòu)形式，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化和創(chuàng)造新的建筑形式來(lái)使用較少材料達(dá)到較高強(qiáng)度，這樣減少材料的用量可以降低成本。該設(shè)計(jì)的約束主要來(lái)源于交通運(yùn)輸情況和現(xiàn)有3D打印機(jī)大小，所以該房屋最終是由3D打印機(jī)在可控的環(huán)境下打印大部件再運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)拼接。同時(shí)，另一個(gè)制約因素是無(wú)法使用多種材料同時(shí)打印，該建筑設(shè)計(jì)采用生物塑料打印而成。關(guān)于采用大型龍門系統(tǒng)一層層擠出混凝土的的打印技術(shù)研究還在發(fā)展階段。

3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑中并不一定要采用大型打印機(jī)，可以小規(guī)模打印如覆在建筑結(jié)構(gòu)外的嵌板，該設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)并不認(rèn)可一次性連續(xù)打印建筑，相反，他們認(rèn)為3D打印扮演著打印建筑元素如大型門面板、大直徑柱和雙曲線組件等。目前，很多人認(rèn)為3D打印并不是要替代磚、混凝土，而是去打印磚、混凝土?，F(xiàn)有的研究也總是著眼于如何將大型3D打印機(jī)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)然后采用砂或混凝土等原材料進(jìn)行打印，而該團(tuán)隊(duì)卻選擇離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)在工廠建造，因?yàn)樵诠S可以更加靈活準(zhǔn)確，并且可以遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)打印的重力、壓力，取而代之建出輕質(zhì)、高分辨率、更優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。目前，3D打印可能還是一種奢侈，存在很多問(wèn)題，例如可使用材料的范圍受限，打印速度較慢(3D打印機(jī)在一個(gè)30 m2的區(qū)域內(nèi)，以5 cm/h的速度打印，不停地打印，一周可以建出30立方米的建筑結(jié)構(gòu))，打印物件的最大尺寸受限等。但由于該技術(shù)的使用可以節(jié)約材料用量從而節(jié)約成本，在時(shí)間、勞動(dòng)力、運(yùn)輸?shù)墓?jié)約方面都有巨大潛力，因而有巨大的發(fā)展空間。同時(shí)，3D打印或打印內(nèi)部獨(dú)立結(jié)構(gòu)可以使設(shè)計(jì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)不再受限，給建筑師們帶來(lái)全新的審美自由。未來(lái)3D打印還將會(huì)影響建筑的外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，生成更有機(jī)的形狀。

(3)2014年年初荷蘭DUS建筑工作室計(jì)劃在阿姆斯特丹3D打印一座全尺寸的運(yùn)河房屋。荷蘭建筑師將在現(xiàn)場(chǎng)用一個(gè)特制的打印機(jī)打印房屋的組成部分，預(yù)計(jì)該工程將在6個(gè)月內(nèi)開(kāi)工。該特制的3D打印機(jī)高3.5米，位于一個(gè)集裝箱內(nèi)。每個(gè)建筑部件都將先以1∶20的比例打印出來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)，再以1∶1比例打印。不同于上一個(gè)案例中在工廠打印的情況，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃建成一個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)作為活動(dòng)場(chǎng)地，房屋的第一層和外立面用聚丙烯材料打印，然而他們希望最終可以在現(xiàn)場(chǎng)使用可以重復(fù)利用的生物塑料或塑料來(lái)進(jìn)行打印。該建筑每個(gè)房間的設(shè)計(jì)都致力于研究特定的主題，比如研究者考慮用“馬鈴薯粉”作為材料打印廚房。如果在建成后想移走該建筑，也只需將其拆卸成部分再運(yùn)到另一個(gè)地方拼裝(圖3)。

圖3 全尺寸運(yùn)河房屋

1.3.2 我國(guó)應(yīng)用3D打印技術(shù)建造房屋的具體案例

2014年4月14號(hào)，被譽(yù)為“全球首批3D打印實(shí)用建筑”的房屋在上海青浦展示。該10棟建筑外表并無(wú)特別之處。建筑均是毛坯房，最大的幢兩層別墅長(zhǎng)10米、寬6米、高4米。不要一磚一瓦，只要一臺(tái)3D打印機(jī)，就能在24小時(shí)內(nèi)“興建”10間房。盈創(chuàng)使用長(zhǎng)150米，寬約10米，高6米的大型3D打印機(jī)打印建筑的每一個(gè)部件，從大型的混凝土板到內(nèi)部十字支撐，屋頂由于只能用一種材料打印的技術(shù)局限而非打印部分?，F(xiàn)場(chǎng)3D打印完建筑墻體、結(jié)構(gòu)后再在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行構(gòu)件拼接。該技術(shù)將建筑垃圾變廢為寶，減少了建筑工人現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量，降低建筑成本50%，還可以實(shí)現(xiàn)房型家具私人定制。

3D打印不僅是一種全新的建筑方式，更是一種顛覆傳統(tǒng)的建筑模式。它更加堅(jiān)固耐用、保護(hù)環(huán)境、高效、節(jié)能，不僅解放人力，還能大大降低建造成本，造出普通百姓都能住得起的房子。3D打印最大的亮點(diǎn)，就是把建筑垃圾再利用，使用由回收的建筑垃圾、工業(yè)廢料和玻璃纖維組成的混凝土建造房屋框架，同時(shí)讓新建建筑不會(huì)產(chǎn)出新的建筑垃圾。使用3D技術(shù)后建筑過(guò)程將大大降低揚(yáng)塵和污染，建筑工地不會(huì)再是一片狼藉，城市空氣質(zhì)量也會(huì)得到改善。

關(guān)于房屋強(qiáng)度穩(wěn)定性方面，3D打印房屋采用的“油墨”是特殊玻璃纖強(qiáng)化處理的混凝土材料，使用年限、強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋼筋混凝土。同時(shí)空心墻體不但大幅減輕了建筑自重，還可以在內(nèi)部填充保溫材料，墻體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也不再受限制，成功解決了墻體的承重問(wèn)題，因此所建房屋質(zhì)量都符合甚至高于國(guó)家建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(圖4)。

2 3D打印技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)劣勢(shì)

2.1 3D打印技術(shù)如何應(yīng)用于建筑領(lǐng)域

我國(guó)現(xiàn)在的建筑正在趨向于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修和信息化管理為主要特征的住宅產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方式，并在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、開(kāi)發(fā)等環(huán)節(jié)形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)房屋建造全過(guò)程的工業(yè)化、集約化和社會(huì)化。3D打印建筑可以直接建造房屋或復(fù)雜結(jié)構(gòu)。所謂打印建筑的第一層意思是在現(xiàn)場(chǎng)打印整座建筑，第二層意思是在現(xiàn)場(chǎng)附近(離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng))打印一系列建筑模塊來(lái)組裝到一起，再用其他額外方法加固。由于3D打印是快速、低成本的制造過(guò)程，更適合于小批量生產(chǎn)及模型的生產(chǎn)。在建筑業(yè)中，3D打印更是常用于建造復(fù)雜結(jié)構(gòu)，即建筑模塊(Building blocks)而非整座建筑。由上述案例可知，3D打印建筑可以將工廠預(yù)制的構(gòu)件變成3D打印建筑構(gòu)件再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼接，故而可以將3D打印引入到打印建筑中。

圖4 經(jīng)過(guò)特殊玻璃纖強(qiáng)化處理的混凝土材料

在預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)體系中3D打印技術(shù)可以用于提前預(yù)制一些復(fù)雜的樓梯，疊合陽(yáng)臺(tái)等單元的生產(chǎn)。對(duì)于模塊建筑體系而言，3D打印技術(shù)可以應(yīng)用于獨(dú)立單元的生產(chǎn)，并可在工廠內(nèi)對(duì)模塊內(nèi)部進(jìn)行裝修布置，隨后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)吊裝將模塊連接為可靠的建筑整體。比如打印墻體承重結(jié)構(gòu)模塊應(yīng)用于學(xué)生宿舍、工人宿舍、賓館、社會(huì)保障房十分理想，這些房屋通常由大量小房間組成。還可將3D打印技術(shù)應(yīng)用于較大開(kāi)放空間的角柱支撐模塊，完全模塊化建筑的樓梯模塊，以及一些非承重模塊，包括浴室、廚房和設(shè)備室。上海新亮相的十棟打印房屋打印的就是一個(gè)殼，里面可以混凝土二次灌注，梁柱仍然是用鋼筋的，這和住宅產(chǎn)業(yè)化中配筋砌塊結(jié)構(gòu)的空心砌塊非常相似，因此，可以將3D打印技術(shù)應(yīng)用于空心混凝土結(jié)構(gòu)單元的建造中。另外在“SI住宅體系”中3D打印技術(shù)可用于填充體單元的制造，例如整體衛(wèi)生間、整體廚房等，以此來(lái)提高住戶空間的靈活性。

總而言之，提前預(yù)制的單元結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，3D打印技術(shù)應(yīng)用于打印建筑的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)就越能凸顯出來(lái)。

2.2 3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)及影響

2.2.1 降低成本

引進(jìn)3D打印技術(shù)后將減少所需要的勞動(dòng)力，在人工成本越來(lái)越高的今天可以大幅度降低人工成本，甚至當(dāng)打印整座房屋時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)勞動(dòng)力成本可以降到0，尤其適用于新一代農(nóng)民工高成本的情況。3D打印機(jī)器的價(jià)格大約在10萬(wàn)到15萬(wàn)美元左右，如果該技術(shù)能夠普及，其成本一般的小型建筑公司完全能夠承擔(dān)。同時(shí)3D打印過(guò)程中準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間大大減少，使得小批量生產(chǎn)、單件制造的成本和周期降低，故該技術(shù)尤其適合新產(chǎn)品的研發(fā)，單件小批量產(chǎn)品、個(gè)性化產(chǎn)品及定制產(chǎn)品的制造［8］。就目前國(guó)內(nèi)最新打印建筑技術(shù)而言，采用3D打印技術(shù)，可節(jié)約建筑材料30%到60%，節(jié)約人工50%到80%，也就是說(shuō)，通過(guò)3D打印技術(shù)，可以更低的造價(jià)、更快的工期造好房子，建筑成本可至少節(jié)省50%以上［9］。

2.2.2 縮短工期

3D打印建筑中大部分構(gòu)件在工廠打印完成，現(xiàn)場(chǎng)以組裝和安裝作業(yè)為主，現(xiàn)場(chǎng)工作量減少，減少了生產(chǎn)周期。使用3D打印技術(shù)不需要傳統(tǒng)施工材料及施工隊(duì)，建造幾幢簡(jiǎn)單的毛坯房?jī)H需要20小時(shí)左右。專家預(yù)測(cè)建一座185平方米的房屋最多用一天時(shí)間，是人工建造速度的幾百倍。因此，將3D打印技術(shù)引入住宅產(chǎn)業(yè)化會(huì)大幅度提高生產(chǎn)效率、加速工期。就目前國(guó)內(nèi)最新打印建筑技術(shù)而言，3D打印建筑工期可縮短50%～70%。

2.2.3 提高質(zhì)量

3D打印的產(chǎn)品是無(wú)縫銜接的，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)建筑。據(jù)測(cè)算3D打印建筑結(jié)構(gòu)的最高強(qiáng)度能達(dá)到10000PSI(約合69.0MPa)，而傳統(tǒng)人工建成的建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一般只有3000PSI(約合20.7MPa)。3D打印機(jī)可完全聽(tīng)從電腦程序，順序打印完一層自動(dòng)爬上另一層，比人工建造更加精確，保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;同時(shí)會(huì)依據(jù)精確的計(jì)算及堅(jiān)固的材料確保房屋質(zhì)量。住宅產(chǎn)業(yè)化較傳統(tǒng)建造方式在房屋質(zhì)量方面已經(jīng)有了提高，改善了房屋滲漏、開(kāi)裂等一些問(wèn)題，引進(jìn)3D打印技術(shù)后會(huì)更進(jìn)一步提高住宅的質(zhì)量。

2.2.4 有利于環(huán)境保護(hù)

相比其他傳統(tǒng)的建筑工藝，3D打印建筑技術(shù)更加環(huán)保。例如建造觀景房過(guò)程中不再需要將水泥和木材運(yùn)輸至建筑工地，每一個(gè)設(shè)計(jì)只需要少量的原材料，因此使用原材料減少?gòu)亩鴾p少了浪費(fèi)，并且所有材料都可以熔化回收利用。甚至可以用3D打印機(jī)打印太陽(yáng)能電池板直接鋪于房屋外層。近日在上海展出的十棟打印房屋所采用的材料就是建筑垃圾，大大節(jié)約了建筑材料的浪費(fèi)和廢棄。因此，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于住宅產(chǎn)業(yè)化將更加有利于環(huán)境保護(hù)。

2.2.5 降低施工作業(yè)危險(xiǎn)

用3D打印技術(shù)建造房屋將比現(xiàn)在的建筑技術(shù)更加安全，降低了施工現(xiàn)場(chǎng)高空墜落、坍塌、物體打擊的事故。美國(guó)每年因?yàn)槭┕がF(xiàn)場(chǎng)作業(yè)導(dǎo)致數(shù)萬(wàn)建筑工人受傷、數(shù)千名建筑工人死亡，使用先進(jìn)的3D打印機(jī)技術(shù)建造房屋將會(huì)降低施工作業(yè)的危險(xiǎn)，使工人工作環(huán)境更加安全。

2.2.6 建造出復(fù)雜、特殊、個(gè)性化的建筑產(chǎn)品

3D打印技術(shù)打印越復(fù)雜的東西越能凸顯出它的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，在建筑領(lǐng)域，當(dāng)建筑師的一些奇思妙想的設(shè)計(jì)方案用傳統(tǒng)的建筑方式無(wú)法完成時(shí)，3D打印可以將其設(shè)計(jì)想法變成現(xiàn)實(shí)。無(wú)論怎樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只要能將其圖紙畫(huà)出來(lái)，利用3D打印技術(shù)便可一次成型，解決了傳統(tǒng)建造方式無(wú)法突破的難題。

2.2.7 快速解決人口居住問(wèn)題

由于棚戶區(qū)的不斷膨脹，快速的城鎮(zhèn)化，經(jīng)濟(jì)停滯蕭條，高失業(yè)率，貧窮，自然災(zāi)害和社會(huì)矛盾等問(wèn)題將為整個(gè)社會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重威脅?？焖俅蛴×畠r(jià)的生存空間可能是解決這個(gè)社會(huì)快速變革所帶來(lái)的人口居住問(wèn)題的部分解決方案。理論上，3D打印的增材制造是替代棚戶區(qū)的完美解決方案。成本低廉，也無(wú)需太多人工，多數(shù)的建造過(guò)程由自動(dòng)化機(jī)器人完成;案例中提到的上海的3D建筑所需的成本相當(dāng)?shù)土?每棟2100平方英尺(約195平方米)4500美元。

2.3 3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑業(yè)存在的問(wèn)題與阻礙

2.3.1 技術(shù)研發(fā)還不夠成熟

3D打印技術(shù)目前還處于初級(jí)階段，制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素之一是3D打印所消耗的材料，因此該技術(shù)成為主流生產(chǎn)建造技術(shù)還需要各方面技術(shù)的提高［10］。另外3D打印耗時(shí)也是需要解決的技術(shù)難題之一，通常打印大尺寸零件需要好幾天時(shí)間，甚至一個(gè)小的螺母也要打印十幾分鐘，所以3D打印技術(shù)目前并不適合大批量的生產(chǎn)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，3D打印技術(shù)提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵還是打印耗時(shí)。同時(shí)，目前3D打印只局限于使用一種材料進(jìn)行打印，在結(jié)合多種材料進(jìn)行打印的技術(shù)水平方面還有待提高。同時(shí)，使用的電力是在工廠里的10倍，以及還沒(méi)有找到在重量強(qiáng)度和耐久性等都很理想的材料。

2.3.2 宏觀規(guī)劃和投入不足

我國(guó)在先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展、工業(yè)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型等規(guī)劃中對(duì)3D打印產(chǎn)業(yè)重視不足，目前我國(guó)小規(guī)模企業(yè)普遍沒(méi)有足夠的資金進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，阻礙了這些企業(yè)掌握3D打印的核心技術(shù)，故目前將3D打印技術(shù)應(yīng)用于打印建筑還是困難重重。

2.3.3 涉及法律知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的問(wèn)題

使用3D打印后，實(shí)物并不是最重要的，重要的是設(shè)計(jì)思路和內(nèi)容。3D打印建筑是基于CAD等圖形文件的建造技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化產(chǎn)品信息以及3D打印技術(shù)三者融合，導(dǎo)致產(chǎn)品極易復(fù)制傳播，因此隨著3D打印技術(shù)的普及，盜版情況可能會(huì)更加嚴(yán)重。3D打印技術(shù)的推廣將給知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)帶來(lái)前所未有的挑戰(zhàn)。

2.3.4 對(duì)環(huán)境造成污染

3D打印在耗材與成品打印的隨意性上體現(xiàn)出不利于環(huán)保的問(wèn)題。一是3D打印材料中有少數(shù)具有一定污染性。二是打印過(guò)度造成的浪費(fèi)。3D打印技術(shù)的普及導(dǎo)致普通人都具有一定生產(chǎn)能力，若有人無(wú)節(jié)制地打印，將會(huì)造成材料的浪費(fèi)。另外大量打印產(chǎn)生的廢、次品可能會(huì)造成環(huán)境污染。但是對(duì)于3D打印使用于建筑業(yè)來(lái)說(shuō)，打印材料可以使用建筑垃圾，并且不易產(chǎn)生過(guò)度打印的現(xiàn)象，以上兩點(diǎn)污染性可以不予考慮。

2.3.5 技術(shù)人才的短缺

3D打印技術(shù)融合了很多學(xué)科專業(yè)知識(shí)，要將3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑業(yè)需要培養(yǎng)全能型人才，而我國(guó)目前在這方面還有些欠缺。例如無(wú)法購(gòu)置足夠數(shù)量的設(shè)備，應(yīng)用研究領(lǐng)域也較窄，學(xué)校教學(xué)中缺乏和3D打印技術(shù)相關(guān)課程，政府也缺乏相應(yīng)的宣傳和培訓(xùn)。3D打印建筑特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 3D打印建筑特點(diǎn)

3 3D打印技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)建筑領(lǐng)域的發(fā)展思路

3.1 強(qiáng)調(diào)宏觀設(shè)計(jì)規(guī)劃，增大科研投入

3D打印技術(shù)目前整體還處于起步階段，而3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域也是初露端倪，并且目前并沒(méi)有將3D打印技術(shù)應(yīng)用于住宅產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)研究和應(yīng)用。為此，我國(guó)應(yīng)制定3D打印技術(shù)和其應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的中長(zhǎng)期發(fā)展計(jì)劃，成立相關(guān)行動(dòng)小組分別負(fù)責(zé)組織、管理、協(xié)調(diào)工作。實(shí)施鼓勵(lì)政策支持高校的研究和企業(yè)的開(kāi)發(fā)。并且加強(qiáng)國(guó)際交流，與國(guó)際技術(shù)接軌。

3.2 加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)間合作，共同發(fā)展

進(jìn)一步完善開(kāi)發(fā)商及供應(yīng)商體系，引導(dǎo)3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)商、設(shè)計(jì)單位、建筑企業(yè)等組織建立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，最大化利用論壇、協(xié)會(huì)等信息化平臺(tái)加強(qiáng)合作，推進(jìn)3D打印技術(shù)在建筑業(yè)領(lǐng)域的研究應(yīng)用［11］。同時(shí)以高校為基礎(chǔ)展開(kāi)研究，謀求共同發(fā)展而非各自為戰(zhàn)，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

3.3 加強(qiáng)教育及社會(huì)化推廣

在高校中積極開(kāi)展關(guān)于3D打印技術(shù)的課程，并將其與建筑業(yè)很好地結(jié)合起來(lái)。加大3D打印建筑的社會(huì)宣傳活動(dòng)。不同地區(qū)政府要根據(jù)本地建筑產(chǎn)業(yè)不同需求，采取地方特色化可持續(xù)發(fā)展的政策以支持3D打印技術(shù)在建筑業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，并積極展開(kāi)培訓(xùn)，發(fā)展3D打印技術(shù)服務(wù)體系，推廣3D打印技術(shù)在建筑業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上分析，3D打印作為一種新型生產(chǎn)技術(shù)，在我國(guó)建筑業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展只是初露端倪，國(guó)外的發(fā)展相對(duì)更成熟一些，根據(jù)國(guó)外研究實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)由于我國(guó)目前傳統(tǒng)建筑業(yè)存在環(huán)境污染嚴(yán)重、人力成本高、高能耗等各種問(wèn)題，3D打印技術(shù)在我國(guó)建筑業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用具有可行性和廣闊前景。但是目前該技術(shù)在建筑業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段，比較傳統(tǒng)建造方式有很大優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在一些問(wèn)題，需要在技術(shù)、政策、教育宣傳等方面進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)上才能更好地推廣應(yīng)用。

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［2］王菊霞.3D打印技術(shù)在汽車制造與維修領(lǐng)域應(yīng)用研究［D］.長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2014.

［3］王忠宏，李揚(yáng)帆，張曼茵.中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路［J］.經(jīng)濟(jì)縱橫，2013，(1):90-93.

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Application of 3D Printing Technology in the Construction Industry Field

LIZhong-fu，HE Yu-wei
(Departmentof Construction Management，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)

The method of literature review is adopted in this arcticle to introduce the concept of 3D printing technolodge，as well as its history of the development domestic and overseas and its application status in the construction industry.Themethod of case analysis is used to summarize the four implementation processes of3D printing buildingsathome and abroad，furthermore，development ideasand proposals of popularizing the application of3D printing buildings in construction industry are put forward combined with the analysis of the strengths and weaknesses in application of 3D printing buildings，finally it come to the conclusion that 3D printing buildings have feasibility and vast potential for future application in construction industry in our country and it has dramatic advantages compared with traditional construction methods.In addition，problems such as immature of techniques，under-investment and shortage of talents still exist in it’s application，therefore，technologies and policies together with educational propaganda should be primarily developed as foundation.

3D printing technology;construction industry;3D printing house

TU741.2

A

2095-0985(2015)02-0047-07

2015-03-12

2015-04-01

李忠富(1964-)，男，黑龍江哈爾濱人，教授，博士，研究方向?yàn)樽≌a(chǎn)業(yè)化、房地產(chǎn)經(jīng)濟(jì)與管理(Email:lzf108@126.com)

何雨薇(1990-)，女，新疆烏魯木齊人，碩士研究生，研究方向?yàn)榧勺≌c住宅產(chǎn)業(yè)化(Email:weiwei3009205048@163.com)

國(guó)家自然科學(xué)基金(71371041)