3D打印混凝土技术的建筑工程应用

3D打印混凝土技术的建筑工程应用

方雄

身份证：42220219790726xxxx

摘要：随着我国社会与科技的不断发展进步，传统人工劳动力的价值得到了提升，对于需要劳动力相对较多的建筑行业来说，3D打印混凝土技术是建筑行业谋求发展的新机遇。3D打印混凝土技术是建立在3D打印技术基础上，使用特殊的混凝土与粘合材料，通过逐层粘合密实而形成的三维物体。此项技术是近年来建筑工程领域的新型研究成果，将其运用与实际建筑工程中，可以有效缩短工期，降低施工成本，提高建筑质量。

关键词：3D打印技术；混凝土；建筑工程

3D打印技术的问世与运用冲击了传统的生产模式，近年来3D打印技术的不断发展与成熟，使其已在诸多的领域被运用，并取得了较为良好好的应用成果。随之，3D打印技术也开始向建筑领域发展，即衍生了3D打印混凝土技术。基于此，本文简要阐述了3D打印混凝土技术的发展、研究现状以及工作原理，随后深入分析了3D打印混凝土技术在建筑工程中应用的优势与缺陷。

一、3D打印混凝土技术发展与研究现状

3D打印混凝土技术是将3D打印技术运用于建筑工程中取得的新成果。最早将3D打印技术应用在建筑工程中，只是为了打印一些体积较小、结构简单的建筑模型或是装饰造型。

3D建筑打印概念机最早是由意大利发明家恩里克•迪尼在2004年设计出的，后于2010年未完成了建筑成型。该台3D建筑打印机所使用的主要原材了是砂，打印过程是由一层薄砂开始，从打印机喷嘴处释放出以镁为主要原料的粘合剂，将这些砂进行粘合，再由打印机施压，将这些砂密实成了岩石[1]。随后不断执行以上操作步骤，最终打印形成了世界首座3D打印建筑，这是3D打印技术在建筑领域应用的里程碑式突破。

直到2014年，3D打印建筑技术已经被深入研究，且世界各国相继完成了3D打印建筑的建造实验，我国于2014年3月在上海展示了10栋以玻璃纤维与建筑垃圾为原材料的3D打印建筑，并表明了，这些建筑的单体建筑用时不超过24小时，这证明了3D打印建筑可以有效缩短建筑工程工期[2]。

2015年1月份，某企业在苏州工业园建造了数栋大型3D打印建筑，其中包括一栋1100㎡的别墅及6层住宅楼等，该栋6层住宅建筑至今仍保持着3D打印建筑中“世界第一高”的记录。

3D打印混凝土建筑表面会出现层次状，这主要是因为，3D打印建筑在打印过程中，需要将混凝土层层叠加，层次状的出现影响着建筑的外观美感。此类问题可以采取降低每层打印的厚度，控制喷嘴大小的方法来进行避免，但是会影响建筑的打印速度；或是采取人工打磨的方式来消除建筑表面的层次状，但是此方法会消耗大量的人力、物力[3]。

二、3D打印混凝土技术的概述与工作原理

3D打印混凝土技术也可以称之为“3D立体打印技术或快速成型技术”，其是以数字模型为基础，通过将混凝土等粘合材料进行逐层粘合密实而形成的三维物体。3D打印混凝土技术是结合材料科学、计算机技术、机械制造设计、数字化等学科而产生的现代科学技术。简单来讲，3D打印混凝土技术是按照预先设定的路线将混凝土材料层层浇筑到指定位置，最终形成完整建筑物的一种技术[4]。从技术层面来说，就是将建筑数字模型导入至计算机，由计算机发出指令，指导已连接、设置好的打印设备完成打印工作。

三、3D打印混凝土技术在建筑工程中应用的优势与缺陷

（一）优势

1.具有良好的抗震性能

因3D打印混凝土技术对于混凝土原材料的要求较为严格，即必须是高强度的混凝土，可以实现了建筑高强轻质的目标，再加上3D打印混凝土技术所建造建筑的完整性较高，所以抗冲击能力也更为良好。所以说，3D打印建筑具有较为良好的抗震能力。

2.利于施工与设计自由模式的实现

3D打印混凝土技术是立足于快速打印技术与数字化基础上的一种新型技术，可以使整个建筑物实现一体化建造，有助于我国建筑行业的向工业化转型。同时，3D打印混凝土技术也为建筑设计师到了思想的壁垒，建筑设计师不必再为如何实现建筑创意的安装而苦恼，只需通过3D打印混凝土技术就可以将建筑创意进行体现，由此可见，3D打印混凝土技术为设计师的自由设计提供了可能[5]。

3.社会效益高

相对于传统建筑工程的建造模式，3D打印建筑可以省略大多数施工工序，从而大幅减少建筑施工中机械设备与施工人员的投入，可以创造出文明、安全的施工环境，相对于以往的建筑施工，3D打印混凝土技术可以有效降低噪音的污染与施工扬尘污染，利于生态环境的维护，环境效益高。

4.施工效率高，利于成本控制

根据目前已建造完成的3D打印建筑来看，3D打印建筑的施工速度远高于传统建筑工程，再加上3D打印建筑的施工只需要少数的专业技术人员，减少了以往施工中模板支撑、拆卸等繁琐工艺的应用，可以有效降低施工人员与施工材料的投入，从而降低施工成本，控制工程的整体造价[6]。

（二）缺陷

1.缺少相应的标准与规范

现阶段，我国3D打印混凝土技术处于世界领先的地位，但却始终未明确3D打印混凝土技术的相关规范与标准，这一定程度的影响着3D打印混凝土技术的发展。建议相关政府部门对该项技术加以重视，组织企业、高校以及科研单位，研究3D打印混凝土技术，完善相关的规范与标准。

2.混凝土原材料

目前，我国对3D打印混凝土技术理论方面的研究仍处在“实践落后于理念”的阶段，特别是3D打印混凝土原材料方面。虽然对原材料的理论研究已经相对成熟，但是在实际的3D打印混凝土原材料生产中，骨料、水泥等材料的性能根本无法满足3D打印混凝土技术的需求保准，尤其是对于混凝土外加剂作用还需要进行更深层次的研究。另外，就现行的混凝土配置标准来看，虽然制造出的混凝土符合这一标准，但是其的粘结性、和易性等性能根本打不到3D打印混凝土的使用要求，还需相关学者对这些问题进行深入的研究。

3.硬件设施

目前，国内大多数研究3D打印混凝土技术的工业园区仍在所使用现有设备改造而来的3D打印混凝土技术硬件配套设施，从而到这这些设备的精密度不够，甚至无法被称为3D打印混凝土技术设备。对此，相关人员应该积极研制符合3D打印建筑要求的现代设备，消除以往硬件设施质量不高所带来的问题，促进3D打印混凝土技术的发展。

结束语：

综上所述，3D打印混凝土技术作为一种几年来新型的技术，目前还处于研究与试验阶段，仍存在诸多亟待解决的问题，但是从现有的3D打印混凝土技术在建筑工程中体现的优势以及3D打印技术在其他行业的运用成果来看，其在建筑工程中存在着良好的应用前景。

参考文献：

[1]张大旺,王栋民.3D打印混凝土材料及混凝土建筑技术进展[J].硅酸盐通报,2015(6):1583-1588.

[2]林家超,吴雄,杨文,等.3D打印建筑材料性能影响因素与分析研究[J].新型建筑材料,2017(10):62-65.

[3]雷斌,马勇,熊悦辰,等.3D打印混凝土材料制备方法研究[J].混凝土,2018(2):145-149,153.

[4]李福平,邓春林,万晶.3D打印建筑技术与商品混凝土行业展望[C].//2015(第11届)“绿动百年,有你有我”环保产业发展高峰论坛论文集.重庆拉法基智深混凝土有限公司%拉法基可持续建筑研发实验室,2015:123-124.

[5]乔星宇,李韵通,潘宁.3D打印混凝土建筑及其混凝土材料现状分析[J].建材发展导向（下）,2016(3):218-219.

[6]王冠,申逸林.3D打印技术在建筑材料领域的应用研究[J].价值工程,2015(34):123-125.