石宝存，张士萍，李成，陈玮

（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

0 引言

随着近几十年来科学技术的迅速发展，全球经济一体化趋势进一步增强，作为与人类息息相关的建筑领域也面临着新的机遇与挑战。3D打印作为第三次工业革命的重要标志，它在建筑领域发挥着重要作用，解决了许多传统建筑的难题，把建筑领域带向了一个新的高度。本文将阐述3D打印技术的组成以及在建筑领域的发展应用。

1 3D打印概述

在建筑领域里3D打印称为增材制造[1]，就是从没有到有的一种增加材料的建造方式。在建筑行业中，3D打印主要流程是准备3D打印的模型文件，获取文件之后使用专用的3D打印机进行打印，待打印完成之后，进行后期工艺处理从而得到具有实用性价值的建筑结构。3D打印结合计算机，将所需要的建筑模型输入，加入适当的材料，就可以直接将所需的建筑打印出来，大大减少了人力施工和施工工期。它将设计、修建、材料应用、施工工序等融为一体，形成一个与传统工艺不一样的体系，同时具有绿色建筑的环保特性和装配式建筑的高效便捷与安全性。

2 3D打印技术工艺发展

3D打印建筑与传统建筑的不同在于3D打印直接通过计算机辅助设计将获取的图形文件传递给打印机，打印机按照所设定的程序直接将文件中的建筑打印出来。根据建筑成型的原理不同可以将3D打印技术分为[2]：SLA技术、FDM技术、SLS技术和LOM技术。

2.1 SLA技术

SLA技术也称为快速成型技术，国外将其称之为RP（Raipid Protoyping）。SLA技术就是被国内学者称为增材制造的3D打印技术，也就是将材料一层一层累加起来的技术。其所有的操作都是在电脑程序控制下进行的，电脑会根据输入的CAD空间模型，通过打印机喷嘴将材料精准堆积，还可以设定堆积的厚度、打印程度以及打印位置，缩短了施工工期，减少了大量的人力物力。

SLA技术原理是使用液态光敏树脂通过光聚合原理所得出来的。液态光敏树脂的光聚合是通过紫外激光、偏转镜、光敏树脂、刮平器、升降台来完成的，首先需要将槽中装满液态光敏树脂，利用紫外激光照射在偏转镜上，在液态光敏树脂中的偏转镜会形成一道光斑，光斑经过的地方就会液态转换成固态，使用电脑控制光斑的走向就会形成一层固态光敏树脂，当第一层结束之后，将升降台下降一层的高度，开启刮平器将上一层的固态光敏树脂表面的液态光敏树脂刮平，然后再开始下一层的操作，这样重复操作就可以得到真的建筑模型[3]。其基本工作原理如图1所示。

图1 SLA基本原理示意

2.2 FDM技术

FDM（Fused Deposition）技术国内常称为熔融沉积成型技术，也是最具潜力的3D打印技术之一。FDM技术由Stratasys公司研究设计并运用在一系列高端系统中，例如：FDM Maxum、Prodigy Plus以及 Dimension等。FDM技术利用 ABS、polycarbonate(PC)、polyphenylsulfone(PPSF)以 及 其他材料。这些热塑性材料在喷头中熔化为半熔融的细丝，直接从三维CAD数据中以一种沉积在一层堆叠上的方式构建。这种技术通常用于建筑成型、装配构件以及建筑模型设计。此外，FDM技术还应用于制造模型和快速制造等方面。

FDM技术的成型原理是电脑控制的打印机根据生成的STL文件，经过平面截面外侧边缘轮廓以及辅助填充线控制喷头，将打印材料在高温熔化之后喷出，冷却之时完成一层的打印，之后电脑控制打印机喷头向规定的方向移动一定的距离，如此重复打印，最后完成建筑打印[4]。但这种打印技术对所使用的材料有着相关的规范和要求，该材料常使用低熔点树脂，PLA等。FDM流程如图2所示。

图2 FDM流程表

2.3 SLS技术

SLS技术又称为选择性激光烧结，是一种制作金属制品的工艺，由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Deckard于20世纪80年代末期研制成功。该技术在建筑上应用有着制造简单、施工工期短等优点。现阶段选择性激光烧结技术能使用的材料比其他几种3D打印技术要多，其可使用的材料有蜡、纤维尼龙、合成尼龙等。SLS技术和FDM技术一样不需要支撑就可以进行叠加打印，与其他打印方式不同的是，SLS技术可以和传统建筑业相辅助来完成施工工艺。

作为增材制造中的一种，SLS技术是采用的“分层制造，逐层叠加”的方式完成打印制作的，选择性激光烧结技术主要是由计算机控制系统、激光器、扫描器、铺粉滚筒、粉末杠、成型杠、未烧结粉和末烧结杆完成[5]，其原理如图3所示是根据电脑中所获取的三维建筑模型通过喷头将一层粉末材料被平铺到模压件的上表面，加热到低于粉末烧结点的一定温度，控制系统根据粉末扫描层的截面轮廓来控制激光束，使粉末的温度上升到熔点，烧结，并与下面的模压件结合。当一层横截面烧结完成时，该表层减小了一层的厚度，铺粉滚筒上覆盖着一层均匀致密的粉末，这是一层新的横截面烧结层，直到整个模型完成为止。其基本工作原理如图3所示。

图3 SLS基本原理示意

2.4 LOM技术

LOM（Laminated Object Manufacturing）技术，也被称为分层实体制造，是3D打印建筑领域中最具代表性的3D打印技术之一，也是国内使用的一种快速成型技术，但多使用纸材，薄片材料和热熔胶为原材料。作为一种应用型技术，有着良好的发展前景，LOM技术的使用将推动相关产业的发展。

LOM技术快速成型系统由反射镜、定位装置、光路、层轮廓线、网格线、激光器以及热压轴等构建而成，其工作原理是将产品的三维CAD模型转化为快速原型系统，在计算机中将CAD模型切割成一系列沿“薄截面”高度方向的数据处理软件，利用该软件获取“表”各层的二维截面，并将其存储在计算机中。加料机构将薄纸或塑料(如热熔胶)送到工作台顶部。在计算机的控制下，激光切割系统根据板材的二维轮廓切割原材料，将非轮廓区域切割成一个小网格。在每一层材料被切割后，工作台将下降一个分层厚度，一个新的材料层被一个热压辊粘合在材料层的顶部。因此，往复式热压、切割、层压件，直到所有的层都将多余的废料清除干净就得到所需的建筑[6]。分层实体制造的原理如图4所示。

图4 分层实体制造（LOM）快速成型系统原理

3 3D打印在工程实践中的应用

目前3D打印技术已在很多建筑领域运用，例如：全球第一座3D打印建筑—莫比乌斯屋，3D打印全球首个商业别墅式酒店—刘易斯大酒店（Lewis Grand Hotel）等，经过检测，这些建筑都已达到建筑要求，3D打印在工程上的应用将会逐步取代传统施工工艺。而且3D打印在建筑上可以应用在设计建筑模型以及按照模型进行施工等多个方面。

3.1 设计建筑

现阶段的打印技术还属于初级阶段，还有很多问题未找到解决方法，也就借鉴不了成熟的设计理论，这些问题主要就是要确定3D打印承受静定力的计算方法，确定墙面需多厚才能达到相应的载荷，3D打印建筑内部结构受力状况，理定内部载荷承接力公式，以及确定配筋率、抗拉抗压抗震能力等问题。

3.2 建筑施工

虽然对于3D打印技术的研究目前还处于初级阶段，但随着国内外学者的不断探索研究，目前已有多座真实的建筑通过3D打印建成，并已投入使用。2013年D-Shape 3D打印机的发明人EnricoDini与荷兰建筑师简加普合作使用无机粘结剂、砂砾层以及通过纤维强化混凝土进行填充，成功打印出一幢上下两层的小楼。

2014年我国著名企业上海盈创建筑科技有限公司利用一台超大型的3D打印机，用时24 h就成功打印出10幢小屋。2016年7月上海盈创公司用时19 d在迪拜打印出全球首个办公室[7]，同时在2016年8月打印出了全球首个“绿色环保厕所”等。

4 结语

3D打印是世界性建筑业的革命，打破了建筑行业部件设计完全依靠于生产工艺来实现的状况，使施工工地在生产的时候可以生产任何形状、任何复杂程度的建筑而不用考虑生产工艺问题。由于3D打印不需要复杂的机械加工以及磨具就能直接根据获取的数据打印出所需的建筑物，大大缩短了生产周期，提高了生产效率，同时对绿色环保做出了巨大贡献。