论文部分内容阅读
3D打印技术（3D Printing），一种快速成形技术，是以数字模型文件为基础，利用金属粉末状、塑料胶体及一些无机材料等可粘合材料，经过逐层打印来构造实体的技术。与传统制造业不同，3D打印利用加法原则，可以直接将计算机中的设计图纸转化为模型或实体。3D打印技术优势在于能实现设计制造一体化，降低约50%制造费用，缩短加工周期约70%。
中国的传统工艺“糖人”，大概就是最早的“3D打印”。它是将蔗糖加热调制，采用“吹、画、塑”三种工艺，附加艺人自身丰富想象和创造力，制作造型各异的立体“糖人”。
1、3D打印建筑的主要特点
1.1 3D打印建筑的优点
（1）施工周期短 当前我国3D打印机可以在较短的时间内完成大量建筑。整个“打印”过程，只需要一台3D打印机、一台计算机、3-5人以及打印所需的材料[1]。将想要建造的图纸输入电脑连接打印机，就可以快速又精确的完成建筑墙体、楼板的“打印”， 建造自己想要的房屋。
（2）施工过程无污染，材料环保，成本低 3D打印所需的材料大多都是牙膏状的半固体状态的新型混合材料，打印机的喷嘴的工作方式同蛋糕制作的奶油裱花工艺异曲同工，将建筑耗能从70%降至30%[2]。
（3）墙体质量轻 3D打印建筑所打印出来的墙体是空心的，为保证其结构稳定性在中间添加“Z”形支撑。
1.2 3D打印建筑的缺点
（1）建筑行业内缺少统一的规范。3D打印建筑是一个全新的领域，建筑行业内没有任何相应的规范条例、相关的技术和房屋产权等诸多问题都没有得到权威认可
（2）材料结构性能不确定。3D打印建筑所用的材料大多都是新型混合材料，但材料的耐久性、刚度、强度、极限承载力等重要参数是否能满足建筑行业的标准还有待进一步确定。
（3）建筑物表面粗糙。3D打印技术运用层层打印的原理。当第一层打印结束后，等到牙膏状半固化之后才能进行下一层的打印，这样的工作原理导致层与层之间不能光滑过渡，表面粗糙度，条文形式单一，若不进行外墙和室内装修，将影响建筑整体美观。
2、3D打印技术在土木工程领域的应用前景展望
3D打印技术作为一种新型的制造技术，已经广泛的应用到机械、航空航天、印刷等领域，也必将会推动土木工程领域尤其是结构工程领域的发展[3]。
2.1 特殊构件的制作、铸钢模具的打印
3D打印技术的一大优势是能实现构件的个性化制作，只要是能在计算机中能建成三维模型的构件，都可以通过参数化处理，连接3D打印机，经过连续化的物理层的叠加而成为真实存在的三维实体。现实中，一些外形复杂并且具有复杂内部结构的构件，都可以通过3D打印技术来实现。而目前传统的加工制作工艺，例如，削减制作（Subtractive Manufacuring），在加工过程中，刀具和切削的部位之间的间距很难控制，很容易造成各个部件之间存在差异；特别是精密构件，影响实际使用的精度。
对于一些空间大跨度结构来说，节点作为受力的集中部位，其可靠性至关重要，节点一旦失效，杆件失去承载力，将会导致结构的局部或者整体的连续性破坏[4]。随着空间结构造型和功能的要求复杂和多元化，钢结构的节点连接的杆件越多，造型也越复杂。3D打印技术，针对这种情况，可通过两种方式来满足此类构件的功能要求和造型要求。
2.1.1 特殊构件的制作
钢结构设计中，空心球节点的内部布置加劲肋，以提高节点的承载力，减小节点区域的壁厚，保持整体美观。对此，许多学者做了大量的研究。苏州火车站站房钢结构一节点主管内设置加劲肋的优化对比试验中[5]，节点主管中设置加劲肋能有效的提高节点的极限承载力，充分发挥支管的强度，而不用改变节点的造型和壁厚。加劲肋的连接多采用焊接工艺，由于节点的尺寸一般不大，焊接作业的空間狭小，很难保证焊接的质量。焊接部位往往会产生残余应力，导致构件受力后，局部的应力集中、屈曲，过早的引起塑性变形，疲劳破坏等问题[6]。而通过3D打印技术，实现节点的整体打印，不仅避免了焊接产生的残余应力，而且整体性更强，受力更均匀。
2.1.2 铸钢模具的制作
采用3D打印技术制作模具，具有制作精度高、加工速度快、简化制作工艺、节省制作周期、打印材料多样化的特点，降低了单个磨具的成本。取代了木模具，更加环保和经济。而3D打印技术在20世纪80年代的发明就是为了降低模具的制作成本和提高质量。相对于传统的模具制作耗时、费力、浪费原材料（熔模锻造Investment Casting，CI），3D打印解决了模具制造的时间和成本问题，应用前景广阔。
2.2 3D打印技术在建筑中的应用
建筑设计阶的建筑模型制作和工程施工阶段的足尺模型建造。
2014年4月全国首批3D打印建筑在上海张江高新青浦园区展出；2015年1月，苏州建成了3D打印别墅住宅；2015年7月，西安用3小时建造了一栋二层精致别墅等。
2.3 3D打印技术与建筑施工智能化
近些年来，有些学者提出“自由形式施工”（Freeform Construction）的概念。[7-8]
它是基于数字建造（Digital Fabrication）和快速添加制造（Rapid Manufactring）的原理，具有整体建造施工全部构件如墙、板、柱、梁等并且实现构件与结构体系的一体化功能的能力。相对于传统的施工方式，这种自由形式的施工，除了节省人力资源，还具有成本、工期、附加价值方面的优势。
20世纪80年代，CAD和CNC（Computer Numeric Control）的发展促生了快速添加技术（尤指光固法）。90年代后，高级参数化建模（Parametric Modeling）被引入土木工程领域，设计、分析与计算机相结合，以及快速添加技术和新材料的发展给土木工程的施工带来了曙光[9]。
3、建筑领域3D打印技术需要解决的问题
3.1 建筑材料
3D打印材料都是以抗压性能为主，抗拉性能较差，一旦超过材料的抗拉强度，就会出现裂缝。如何增强3D打印建筑的抗拉性能，成为突破3D打印建筑应用的关键。
3.2 打印材料与钢筋混凝土相容性
3D打印技术是基于半固态油墨状的新型混合材料，靠材料自身的粘性，“堆叠”成型的粘合构件。如何使不同性能的材料结合在一起，同时满足结构的功能要求，是以后需要研究的问题。
3.3打印设备
目前，3D打印技术制作的物体尺寸能相对较小，即便是3D打印建筑，目前也只有一二层。如何一次性打印相对较大的实体，并且简单实用易操作，也是需要解决的问题。
4、结语
哥本哈根未来研究学院的名誉主席约翰·帕鲁坦说过这样一句话：我们的社会通常会高估新技术的可能性，同时却又低估了它们长期发展的潜力。虽然，3D打印技术作为一项新兴的制造技术，具有自身的特点和定位，但是，3D打印技术并不能取代传统制造技术。我们能够从产业研究的角度去分析和判断3D打印，但这样一个新兴技术在未来的发展过程中仍存在很多困难和问题，亟待我们去解决。
参考文献：
[1] 张晓光. 基于3D打印时代的建筑技术发展研究[J. 河南科技.2014（10）：162-163.
[2] 张卓钧，王建刚. 全球首批3D打印建筑亮相上海[N]. 中华建筑报.2014（04）.
[3] 胡迪·利普森， 梅尔芭·库曼.3D打印技术—从想象到现实[M]. 北京：中信出版社.2013.
中国的传统工艺“糖人”，大概就是最早的“3D打印”。它是将蔗糖加热调制，采用“吹、画、塑”三种工艺，附加艺人自身丰富想象和创造力，制作造型各异的立体“糖人”。
1、3D打印建筑的主要特点
1.1 3D打印建筑的优点
（1）施工周期短 当前我国3D打印机可以在较短的时间内完成大量建筑。整个“打印”过程，只需要一台3D打印机、一台计算机、3-5人以及打印所需的材料[1]。将想要建造的图纸输入电脑连接打印机，就可以快速又精确的完成建筑墙体、楼板的“打印”， 建造自己想要的房屋。
（2）施工过程无污染，材料环保，成本低 3D打印所需的材料大多都是牙膏状的半固体状态的新型混合材料，打印机的喷嘴的工作方式同蛋糕制作的奶油裱花工艺异曲同工，将建筑耗能从70%降至30%[2]。
（3）墙体质量轻 3D打印建筑所打印出来的墙体是空心的，为保证其结构稳定性在中间添加“Z”形支撑。
1.2 3D打印建筑的缺点
（1）建筑行业内缺少统一的规范。3D打印建筑是一个全新的领域，建筑行业内没有任何相应的规范条例、相关的技术和房屋产权等诸多问题都没有得到权威认可
（2）材料结构性能不确定。3D打印建筑所用的材料大多都是新型混合材料，但材料的耐久性、刚度、强度、极限承载力等重要参数是否能满足建筑行业的标准还有待进一步确定。
（3）建筑物表面粗糙。3D打印技术运用层层打印的原理。当第一层打印结束后，等到牙膏状半固化之后才能进行下一层的打印，这样的工作原理导致层与层之间不能光滑过渡，表面粗糙度，条文形式单一，若不进行外墙和室内装修，将影响建筑整体美观。
2、3D打印技术在土木工程领域的应用前景展望
3D打印技术作为一种新型的制造技术，已经广泛的应用到机械、航空航天、印刷等领域，也必将会推动土木工程领域尤其是结构工程领域的发展[3]。
2.1 特殊构件的制作、铸钢模具的打印
3D打印技术的一大优势是能实现构件的个性化制作，只要是能在计算机中能建成三维模型的构件，都可以通过参数化处理，连接3D打印机，经过连续化的物理层的叠加而成为真实存在的三维实体。现实中，一些外形复杂并且具有复杂内部结构的构件，都可以通过3D打印技术来实现。而目前传统的加工制作工艺，例如，削减制作（Subtractive Manufacuring），在加工过程中，刀具和切削的部位之间的间距很难控制，很容易造成各个部件之间存在差异；特别是精密构件，影响实际使用的精度。
对于一些空间大跨度结构来说，节点作为受力的集中部位，其可靠性至关重要，节点一旦失效，杆件失去承载力，将会导致结构的局部或者整体的连续性破坏[4]。随着空间结构造型和功能的要求复杂和多元化，钢结构的节点连接的杆件越多，造型也越复杂。3D打印技术，针对这种情况，可通过两种方式来满足此类构件的功能要求和造型要求。
2.1.1 特殊构件的制作
钢结构设计中，空心球节点的内部布置加劲肋，以提高节点的承载力，减小节点区域的壁厚，保持整体美观。对此，许多学者做了大量的研究。苏州火车站站房钢结构一节点主管内设置加劲肋的优化对比试验中[5]，节点主管中设置加劲肋能有效的提高节点的极限承载力，充分发挥支管的强度，而不用改变节点的造型和壁厚。加劲肋的连接多采用焊接工艺，由于节点的尺寸一般不大，焊接作业的空間狭小，很难保证焊接的质量。焊接部位往往会产生残余应力，导致构件受力后，局部的应力集中、屈曲，过早的引起塑性变形，疲劳破坏等问题[6]。而通过3D打印技术，实现节点的整体打印，不仅避免了焊接产生的残余应力，而且整体性更强，受力更均匀。
2.1.2 铸钢模具的制作
采用3D打印技术制作模具，具有制作精度高、加工速度快、简化制作工艺、节省制作周期、打印材料多样化的特点，降低了单个磨具的成本。取代了木模具，更加环保和经济。而3D打印技术在20世纪80年代的发明就是为了降低模具的制作成本和提高质量。相对于传统的模具制作耗时、费力、浪费原材料（熔模锻造Investment Casting，CI），3D打印解决了模具制造的时间和成本问题，应用前景广阔。
2.2 3D打印技术在建筑中的应用
建筑设计阶的建筑模型制作和工程施工阶段的足尺模型建造。
2014年4月全国首批3D打印建筑在上海张江高新青浦园区展出；2015年1月，苏州建成了3D打印别墅住宅；2015年7月，西安用3小时建造了一栋二层精致别墅等。
2.3 3D打印技术与建筑施工智能化
近些年来，有些学者提出“自由形式施工”（Freeform Construction）的概念。[7-8]
它是基于数字建造（Digital Fabrication）和快速添加制造（Rapid Manufactring）的原理，具有整体建造施工全部构件如墙、板、柱、梁等并且实现构件与结构体系的一体化功能的能力。相对于传统的施工方式，这种自由形式的施工，除了节省人力资源，还具有成本、工期、附加价值方面的优势。
20世纪80年代，CAD和CNC（Computer Numeric Control）的发展促生了快速添加技术（尤指光固法）。90年代后，高级参数化建模（Parametric Modeling）被引入土木工程领域，设计、分析与计算机相结合，以及快速添加技术和新材料的发展给土木工程的施工带来了曙光[9]。
3、建筑领域3D打印技术需要解决的问题
3.1 建筑材料
3D打印材料都是以抗压性能为主，抗拉性能较差，一旦超过材料的抗拉强度，就会出现裂缝。如何增强3D打印建筑的抗拉性能，成为突破3D打印建筑应用的关键。
3.2 打印材料与钢筋混凝土相容性
3D打印技术是基于半固态油墨状的新型混合材料，靠材料自身的粘性，“堆叠”成型的粘合构件。如何使不同性能的材料结合在一起，同时满足结构的功能要求，是以后需要研究的问题。
3.3打印设备
目前，3D打印技术制作的物体尺寸能相对较小，即便是3D打印建筑，目前也只有一二层。如何一次性打印相对较大的实体，并且简单实用易操作，也是需要解决的问题。
4、结语
哥本哈根未来研究学院的名誉主席约翰·帕鲁坦说过这样一句话：我们的社会通常会高估新技术的可能性，同时却又低估了它们长期发展的潜力。虽然，3D打印技术作为一项新兴的制造技术，具有自身的特点和定位，但是，3D打印技术并不能取代传统制造技术。我们能够从产业研究的角度去分析和判断3D打印，但这样一个新兴技术在未来的发展过程中仍存在很多困难和问题，亟待我们去解决。
参考文献：
[1] 张晓光. 基于3D打印时代的建筑技术发展研究[J. 河南科技.2014（10）：162-163.
[2] 张卓钧，王建刚. 全球首批3D打印建筑亮相上海[N]. 中华建筑报.2014（04）.
[3] 胡迪·利普森， 梅尔芭·库曼.3D打印技术—从想象到现实[M]. 北京：中信出版社.2013.