建筑工程论文
建筑 3D 打印虽然拥有广阔的应用前景，但目前还处于探索阶段，在打印材料、打印方式、打印设备、设计方法、施工工艺和标准体系等方面存在着一系列问题，建筑 3D 打印目前发展的主要任务是解决上述问题。
3. 1 打印材料
打印材料是建筑 3D 打印的核心技术，未来建筑 3D 打印的发展和突破是以打印材料的突破为基础的。
目前采用的打印材料主要是以混凝土为基材，存在着抗拉强度低、抗裂性能差、韧性差、构件易脆性破坏等问题。因此，寻找具有良好性能的打印材料是建筑 3D 打印当前发展的关键。
金属粉末打印材料的主要问题是价格，目前市场上 1kg 的钛合金打印材料价格在 4 000 元以上，1kg 的不锈钢打印材料的价格在 1 000 元左右。如果打印金属节点和构件，其成本将非常巨大，价格因素是其推广应用的主要制约条件。
3. 2 打印方式
目前建筑 3D 打印采用的打印方式还局限于传统的打印方式。“轮廓工艺”和盈创采用的打印方式类似于 FDM 技术（ 熔积成型技术） ,通过“挤出”半凝固的打印材料来构建物体，但是这种打印方式存在一个矛盾的问题，一方面需要打印材料迅速形成强度，在打印过程中上层材料的堆积会对下层材料形成压力，如果打印材料在短时间内没有形成足够的强度，就会在压力作用下产生变形； 另一方面，如果打印材料迅速“固化”,则两层打印材料之间的层间黏结性能就比较差，形成构件的一个薄弱环节。“D-shape”采用的打印方式类似于 SLS 技术（ 选择性激光烧结技术） ,首先铺设层状粉末（ 砂子） ,再将粉末黏结构成构件，但是这种打印方式的问题是打印速度较慢，不适于像建筑之类的巨型构件。因此，建筑 3D 打印的打印方式还需要跳出已有思维方式的束缚，还需进一步探索更适于建筑建造特点的打印方式。
3. 3 打印设备
目前建筑 3D 打印设备主要是采用轨道式，这种方式的特点是结构简单稳定，打印精度高，但不适于现场作用。在建筑 3D 打印的发展初期，主要是针对农村地区住宅和别墅等多层住宅，需要现场作业，这就需要开发集运输、搅拌、打印、吊装等多种功能于一体的打印设备。打印设备能够运输纤维材料和外加剂到达打印场地，并携带部分现场不能打印或打印难度较大的预制构件。主要的打印材料如水泥、砂子、水等由业主自备，打印设备按特定的配合比对原材料进行配制和搅拌。然后打印设备按设计要求现场打印墙柱构件，并按照设计要求调整打印墙体的宽度，同时打印设备还可在打印过程中对墙体进行抹平等处理。打印完 1 层墙体后，打印设备可对打印机械进行调整，使其能够吊装预制的楼板、梁等构件。吊装完成后又可进行下一层构件的打印。
3. 4 设计方法
目前建造 3D 打印在工程施工中的应用还属于探索阶段，没有成熟的设计理论和方法可以借鉴。
由于 3D 打印建筑与传统的钢筋混凝土结构、砌体结构在材料性能和建造工艺上有较大区别，因此需要在充分了解材料性能和构件性能的基础上研究适于 3D 打印建筑的设计理论和设计方法[14].
3. 5 施工工艺
建筑 3D 打印技术作为一种全自动的施工方法，与传统的以人力为主的施工方法相比有诸多不同点，其在施工工艺方面需解决支撑、找平、配筋结构装饰一体化等问题。
3. 6 标准体系
3D 打印建筑的打印材料标准、设计规范、施工规范、验收标准等一系列的标准体系的制定是建筑3D 打印技术在发展过程中逐步形成的，应在市场的主导作用下，以企业为主体逐步发展完善。标准体系应按照企业标准、行业标准、国家标准的顺序来逐步推进。
4 建筑 3D 打印的前景
建筑 3D 打印的应用领域广泛，从长远发展来看，可以采用从简单到复杂、从主业到旁枝的发展策略，近期到远期目标具体如下。
4. 1 GRC,SRC 等高档建筑装饰构件
GRC,SRC 等高档建筑装饰构件造型复杂，利用传统的制造方式成本较高。建筑 3D 打印由于不需要磨具，可以直接打印异形复杂的装饰构件，可以充分发挥其技术特点，快速打印高档的建筑装饰构件，为建筑 3D 打印的推广奠定基础。
4. 2 雕塑小品
公园和社区公共区域常摆放一些雕塑小品，这些作品往往设计大胆，外形新颖，充满创意，但从建造的角度来说，是非常困难的，一方面建造成本高，另一方面在建造过程中会丢失部分信息，无法做到与设计完全一样。建筑 3D 打印可以实现异形构件的打印，既降低成本，又可以实现设计信息的无损传递，使最终的产品做到与设计模型完全一致。
4. 3 别墅
在建筑 3D 打印的发展初期，材料成本和技术成本还相对较高的情况下，别墅的 3D 打印是其发展的一个主要方向。别墅主要注重外形及品质，较少考虑成本，可充分利用建筑 3D 打印技术的特点，打印造型奇特和复杂的别墅，并在别墅打印过程中不断改进技术、降低成本，推动其进一步发展。
4. 4 农村住宅
在建筑 3D 打印的发展中期，农村住宅的 3D 打印是其发展的一个主要方向。农村住宅多为 2 ~ 3层的多层住宅，多为农民自建住宅，不仅成本高，而且设计施工不规范，抵抗地震等灾害的能力较差。
如果建筑 3D 打印能够做到降低成本，采用规范的设计和施工标准，则能在农村地区得到迅速推广，这对我国的新型城镇化建设和农村地区发展会起到不可估量的作用。
4. 5 经济适用房和廉租房
在建筑 3D 打印的发展中后期，在技术相对成熟的情况下，可以利用建筑 3D 打印速度快、性能优越的特点，修建以经济适用房和廉租房为主的多层住宅，短时间内可以建造大量的低成本房屋，改善低收入人口的居住条件。
4. 6 高层住宅
在建筑 3D 打印发展后期，在打印材料性能优良，能满足高层建筑抗震、抗风等要求的情况下，可以开发适于高层建筑的打印设备，实现对高层建筑的 3D 打印。这是建筑 3D 打印发展的长远目标。
4. 7 抗震救灾紧急用房
利用建筑 3D 打印的快速建造优势，可在地震、台风、泥石流、海啸等自然灾害后快速进行灾后安置工作，可在最短的时间内将受灾群众进行妥善安置。由于灾害重建速度跟不上，汶川地震一年多以后，仍有灾民住在帐篷内，严重影响其生活。如果利用建筑 3D 打印技术，既可以利用灾后的大量建筑垃圾，又可以在短时间内修建起大量的灾后用房，提高灾民的生活品质，快速进行灾后重建工作。
4. 8 防风固沙
草方格治沙是国际公认的防风固沙的效果非常好的办法，但是人工铺设速度慢，成本高，无法大面积推广。可以利用建筑 3D 打印技术，以草为打印材料，可实现草方格铺设的自动化，使其在沙漠环境中大规模应用。
4. 9 太空基地
如果未来人类要在月球上建造栖息地，可以将建筑 3D 打印设备运送到太空基地，直接利用外星球表层的土壤作为主要的打印材料，从地球运送少量建筑材料即可。建筑 3D 打印技术可以更快速环保地在外太空批量建造适合人类居住的建筑。
参考文献：
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