柳州铁道职业技术学院 广西柳州 545616
摘要：目前，国内外对3D打印技术的应用大多仍处于试验阶段。为进一步了解3D打印技术在建筑行业的应用与发展趋势，结合现有技术的不足与当前研究的难题，针对D型工艺、轮廓工艺、全尺寸3D打印及3D打印混凝土技术等3D打印建筑技术的特点进行分析，并研究3D打印建筑技术的建筑方式、施工工艺、建筑材料、建筑结构及打印设备等，以展望3D打印技术的未来研究方向。
关键词：3D打印技术；混凝土；应用
建筑业作为我国重要的物质生产部门，正经历高速发展过程，这个过程体现在技术装备以及建造能力的不断提高上。随着政策及技术的支持，建筑行业逐步走向产业变革与创新发展的道路。传统建造过程速度慢、成本高并且不安全、劳动力需求大，3D打印技术作为一种突破传统建造生产方式以及链接工厂化、信息化生产的新型技术，为提高生产效率、突破建筑造型、减少资源浪费提供了支持。尽管该技术在建筑造型、建造效率等方面具备优势，但从建筑应用的角度来看，也同时存在较多阻碍因素。
1 建筑业3D打印发展的影响因素识别
1.1 促进建筑业3D打印发展的影响因素
1.1.1 催生新型建材的研发
随着打印“油墨”的研发，除最初的纤维复合材料外，建筑垃圾、砂、生物纤维等材料得到研发和关注。将工业废物、矿山尾矿等建筑垃圾处理后再循环利用，用作打印原材料或者墙体填充物，不仅大大降低了建筑废物的遗留，而且对环境保护、资源节约也起到一定作用。
1.1.2 提升建造效率，节省建设成本
3D打印建筑技术是通过计算机获取三维建筑模型的相关信息，经过处理后由数控系统控制机械装置按照指定路径运动实现建筑物的自动建造。这种设计、建造一体化技术不仅比传统的人工建造速度快，能在提升建造效率的同时缩短建设周期，而且全程操作由机器完成，节约了建造过程中的人力、设备、运输等成本。
1.1.3 减少粉尘、噪声污染
传统建造方式的施工现场避免不了设备进出场、混凝土搅拌浇筑等流程，此过程不仅会产生大量的粉尘污染，更会对周边的居民造成噪声污染。然而3D打印技术的数字化操作仅需要电脑系统及机械设备的配合，没有大量现场施工环节，这能大大改善建设区周边居民的生活环境。
1.1.4 实现项目“云分享”
随着“数字中国”口号的提出，建筑业中3D打印技术积极与数字化技术衔接，很好的解决了传统建造方式与项目设计、建筑模型与业主购买实体建筑之间脱节等问题。业主、投标商等都可以参与到项目的设计工作中，避免了建设后期由于各方意见相悖而返工，真正做到了设计内容“云分享”，使得各方满意最大化的项目建造。
1.1.5 提高建筑造型的艺术性
3D打印技术的明显优势就是可以极其方便地打印出那些高成本的曲线建筑以及用传统方式很难建造的建筑。它给予设计师充分的自由，来设计艺术性的建筑造型，一体化的打印机制也可以很容易地将电脑设计样品原比例呈现在业主面前，这对非线性建筑的造型设计有重要意义。
1.2 阻碍建筑业3D打印技术发展的影响因素
1.2.1 严格的材料要求
如何使打印材料具备钢筋混凝土或玻璃钢结构的性能，是3D打印建筑材料的核心研究课题。精细的材料配合比、符合标准的材料性能、无害的复合材料粘合剂以及材料后期的回收等都是建筑业中3D打印技术研究亟需解决的问题。
1.2.2 存在工艺技术难题
3D打印技术适用于体积较小、能够自我支撑的建筑，超高层及大型建筑需要设计支撑结构，这就需要相应的软件开发以及打印设备升级制造，由于其是设计-建造一体化的技术，所以打印过程不可返工，容错率低。
1.2.3 对建筑市场及相关人员的影响增加
在技术或产品的研发过程中，企业需要面对技术的不确定性以及市场环境的不确定性，高校科研人员需要面对人才培养与技术研发等难题，这些研发、应用过程的弊端都会带来前期开发成本的增加。
围绕传统建造技术早已形成了相当完整的工业体系和产业链，整个行业也已经建构起较为成熟而高效的沟通和运作模式，具备成熟的行业规范和固定的从业人员，3D打印技术的引入会造成行业失稳、政策失效、工人失业，市场也需要对新型建筑有所调整适应，所以，技术引入对建筑行业会造成巨大的影响。
1.2.4 缺少相应行业规范及法规
我国目前还未具备有执行力的相关行业规范。虽然在建筑物的空间尺寸、平面布局、水电管线排布等方面3D打印建筑可以参照现行标准，但当涉及到与建筑物材料和结构相关的各种性能时，行业内缺少借鉴指标，各种建筑材料的使用也亟需设定使用准则。就目前而言，3D打印建造技术的政策规范滞后、法律法规缺失会使得建造项目各方的责任不明确，项目审核验收及后期运维难以执行。
2 建筑工程3D打印混凝土施工要点
2.1 3D打印混凝土
在3D打印混凝土技术的应用中，要求混凝土浆体材料应达到一定的使用性能：(1)要求混凝土浆体材料具有良好的可挤出性。在3D打印技术的应用中，通过打印机前端的喷嘴即可挤出混凝土浆体，然后实施打印过程。对于浆体颗粒大小，应根据喷嘴口的大小进行调整，为了避免在打印过程中发生堵塞问题，应注意避免使用大颗粒集料，确保浆体挤出的通畅性；(2)要求混凝土浆体具有良好的粘聚性，只有提升混凝土浆体的粘聚性，才能够保证在喷嘴挤出过程中不会中断，同时避免打印遗漏。
2.2 3D打印混凝土的施工
3D打印混凝土是混凝土材料层层堆积的过程，在实际打印过程中，可能会发生台阶效应，结构表面比较粗糙，不仅会影响施工精度，而且还会影响建筑工程美观性。对此，在3D打印建筑工程施工中，可采取以下改进措施：(1)结合实际情况适当缩小打印喷嘴口径，降低台阶高度，提升施工效率以及结构面的平整性；(2)在建筑工程结构打印成型后，应及时进行抹平处理。
为了有效解决上述施工问题，在3D打印混凝土施工技术的应用中，可采用轮廓建筑工程施工工艺。轮廓建筑工艺是由轮廓打印系统以及内部填充系统所组成的，在该项施工工艺的应用中，首先进行建筑工程外部轮廓打印，然后再向结构内部填充浆体材料，进而形成混凝土结构件。该项施工工艺的应用优势为：在打印机喷嘴上可安装泥刀，而泥刀则能够保证建筑打印的平整性。
3 3D打印技术对建筑材料的要求
3.1 强度要求
建筑材料强度的高低，决定了建筑的高低。由于3D打印建筑采用的是分层制造，以逐层叠加的方式形成三维实体，所以有可能存在先天的密实度缺陷，使其不能达到传统方法制作的结构构件的强度。因此，打印材料应具有较高的强度，应对其强度进行严格控制。
3.2 可挤出性与流动性要求
3D打印过程中，打印材料是通过喷嘴挤压而出的，为了保证打印的连续性，这就需要打印材料有良好的流动性和可挤出性。
3.3 凝结性要求
在连续挤压打印过程中，先打印的图层不能因自重而产生严重变形，应保证在一定堆砌高度时，下层图层能较好支撑上层图层，避免发生结构变形甚至坍塌，所以打印材料的流动性也不能过大。为了保证3D打印建筑过程的连续性，混凝土的硬化时间在计算机程序的操控下，有严格的要求。
3.4 经济性要求
建筑3D打印材料在性能方面除了要满足现有标准中建筑物对承载力和耐久性的要求之外，从经济性和环保性能方面来说，它还应该满足成本低、易于就地取材、绿色环保等要求。只有这样才有利于3D打印建筑技术的推广和使用。
4结语
在建筑行业，3D打印技术仍处于初步阶段。虽然在各类建筑物结构形式中大规模使用3D打印建筑技术还有很多问题亟待解决，但是，3D打印建筑技术采用一种全新的设计逻辑和建造模式，将建筑形式、建筑结构和建筑材料高度整合，体现的是一种未来数字设计建筑模式下的建筑生态关系。毋庸置疑，3D打印技术会对未来建筑产业的发展产生重大而深远的影响。
参考文献
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