3D打印技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)的應(yīng)用
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［摘要］近些年來，3d打印技術(shù)有了非常迅猛的發(fā)展，且在社會生活的很多領(lǐng)域到得到了非常廣泛的應(yīng)用，其中3D打印技術(shù)是基于離散和堆積成型的原理，采用分層打印，逐漸疊加的方式對三維實(shí)體進(jìn)行生成的一種比較先進(jìn)的制作技術(shù)。在很多研究中可以證實(shí)，對3D打印技術(shù)進(jìn)行科學(xué)合理的運(yùn)用可以很大程度提高工作效率，用比較低的成本對一些重要部件、實(shí)物進(jìn)行制造和生產(chǎn)，從而形成一些非常復(fù)雜、精致的實(shí)物結(jié)構(gòu)和造型。本文從建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域入手，對3D打印技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行探究和分析，以供同行參考和借鑒。
［關(guān)鍵詞］3D打印技術(shù)；建筑設(shè)計(jì)；應(yīng)用與發(fā)展
1前言
在建筑領(lǐng)域，與以往的技術(shù)相比較3D打印技術(shù)操作更加方便、簡單和快捷，這樣就引起很多專業(yè)人士的關(guān)注，可以應(yīng)用真實(shí)的材料對實(shí)體進(jìn)行快速的建造和成型，因而得到了廣泛應(yīng)用，具有很好的發(fā)展前景。
23D打印技術(shù)
所謂3D打印技術(shù)就是通過利用物理層進(jìn)行持續(xù)的疊加，應(yīng)用一些材料進(jìn)行逐層的增加，這樣就可以生成三維實(shí)體，這是一種高新技術(shù)。與以往的建筑技術(shù)相比較，3D打印有非常明顯的差異，可以根據(jù)3D打印步驟將其分成為制造技術(shù)。從目前的現(xiàn)狀來看3D打印是先進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的趨勢。在具體的應(yīng)用中可以分為3個(gè)步驟：在計(jì)算機(jī)使用相關(guān)軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候需要打印模型；通過利用一些成型設(shè)備（3D打印機(jī)）；利用各種類型材料進(jìn)行打印，進(jìn)而就可以將所需要的產(chǎn)品制造出來。對于3D打印技術(shù)而言，其具有很高的綜合性、復(fù)雜性，既可以把計(jì)算機(jī)上面的數(shù)字建設(shè)模型計(jì)算與機(jī)電控制技術(shù)有效的結(jié)合在一起，還可以將一些比較先進(jìn)的信息、材料使用以及化學(xué)應(yīng)用技術(shù)等進(jìn)行應(yīng)用，因此該技術(shù)能夠?qū)ζ渥饔眠M(jìn)行充分發(fā)揮。同時(shí)3D打印機(jī)是重要的設(shè)備，但是其需要進(jìn)行有效控制，還需要與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，進(jìn)而把計(jì)算機(jī)模型轉(zhuǎn)換成具體實(shí)物。此外3D打印技術(shù)包括很多種系統(tǒng)，以精度機(jī)械、數(shù)字控制等系統(tǒng)為主，并且由打印材料、工藝以及模型設(shè)計(jì)等部分組合而成。
3建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域中使用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢
3.1能夠降低建筑成本
在使用3D打印技術(shù)的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員只要采用計(jì)算機(jī)和打印機(jī)就可以制造完整的建筑模型，也可以大幅度對勞動力進(jìn)行減少，大大節(jié)約人工方面的成本。在進(jìn)行模塊定制、對單件進(jìn)行小批量生產(chǎn)，可以大大降低生產(chǎn)成本和工程的使用時(shí)間，也可以起到節(jié)約建筑原材料的目的，進(jìn)而促使建筑施工中成本得到大幅度降低。
3.2能夠?qū)ㄖこ痰氖┕すて谶M(jìn)行縮短
目前3D打印技術(shù)既不對傳統(tǒng)的施工隊(duì)伍進(jìn)行使用，也不使用磚瓦等建筑材料，絕大部分的建筑構(gòu)件都是在工廠使用打印機(jī)進(jìn)行建設(shè)和構(gòu)造，最后再到施工現(xiàn)場進(jìn)行組裝，促使建筑生產(chǎn)得到大幅度減少，生產(chǎn)效率得到大大提升。從實(shí)踐的效果可以看出，3D打印技術(shù)與以往建筑材料相比，速度要快很多，不需要使用模具，還可以起到節(jié)約成本的目的，也可以大幅度提高建筑生產(chǎn)效率，促使建筑行業(yè)得到很好的發(fā)展和轉(zhuǎn)型。
3.3可以很大程度提高建筑工程的質(zhì)量
該打印技術(shù)的相關(guān)產(chǎn)品是沒有縫隙的銜接，具有很強(qiáng)的穩(wěn)固性和連接強(qiáng)度，將電腦中的程序與數(shù)字技術(shù)相互結(jié)合在一起可以促使建筑數(shù)據(jù)的精確性得到保證。同時(shí)使用堅(jiān)固的建筑材料可以促使房屋質(zhì)量得到保證，進(jìn)一步完善滲漏、開裂等問題。
3.4對建筑危險(xiǎn)進(jìn)行降低
使用3D打印技術(shù)能夠促使建筑施工中高空墜落和建筑物出現(xiàn)坍塌的危險(xiǎn)系數(shù)得到大大降低，也可以為工作人員提供更加安全、穩(wěn)定的環(huán)境。除了以上四個(gè)方面的優(yōu)勢之外還有很多其他的優(yōu)勢，3D打印技術(shù)能夠根據(jù)建筑設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)圖紙對各種具備復(fù)雜性、個(gè)性化的建筑造型進(jìn)行打印，并且具備外部美觀、環(huán)保等特征。還可以對建筑施工工期進(jìn)行大幅度縮短，對建筑模型進(jìn)行很快的造型，也能夠?qū)θ丝诰幼栴}進(jìn)行有效解決。
43D打印技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
4.1在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
在進(jìn)行建筑施工和設(shè)計(jì)中，其對建筑項(xiàng)目規(guī)劃、實(shí)施以及驗(yàn)收等都有非常重要的影響，所以建筑施工的相關(guān)人員要對建筑施工設(shè)計(jì)更加重視，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性建筑設(shè)計(jì)的目標(biāo)。3D打印技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用不但能夠反映各類人群對于建筑設(shè)計(jì)的需求，還能夠切實(shí)地表現(xiàn)出建筑的自身價(jià)值。此外，從建筑的整體上分析具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，且在建筑施工和設(shè)計(jì)中3D技術(shù)可以開展建筑特殊性設(shè)計(jì)工作，保證工程計(jì)價(jià)的方便性，獲得比較客觀的預(yù)算，促使人們具有非常直觀的感受，對其進(jìn)行輔助，并且從根本上對存在的問題進(jìn)行有效解決，促使建筑施工的質(zhì)量和安全得到保證。
4.2在建筑施工中的應(yīng)用
3D打印技術(shù)在建筑的施工階段應(yīng)用，可很好的控制施工誤差，提高施工效率，可通過控制系統(tǒng)控制3D建筑打印設(shè)備按照不同的切片方案進(jìn)行打印，打印精確度可控制到mm級別，在建筑打印過程中可以隨時(shí)終止，再次打印時(shí)，3D打印系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精確定位之前打印位置。這與傳統(tǒng)的建筑施工工序有很大的區(qū)別。比如：在鋼筋的布置方式，可選擇邊打印邊布置，也可打印過程中預(yù)留孔洞，打印后布置鋼筋或鋼筋籠，再進(jìn)行澆筑，最終滿足建筑標(biāo)準(zhǔn)要求。
53D打印技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的未來發(fā)展趨勢
5.1在建筑設(shè)計(jì)方面
傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)需要考慮的因素較多，尤其會受到施工技術(shù)的限制，許多建筑設(shè)計(jì)理念會由技術(shù)限制很難實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)以圖紙?jiān)O(shè)計(jì)為主，但3D打印技術(shù)能夠進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)圖紙與地理信息、建筑掃描等電子數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，并以實(shí)物形式展現(xiàn)出來，可通過實(shí)景建模形式，展現(xiàn)真實(shí)三維場景。前期設(shè)計(jì)模型可經(jīng)過分割、單體化和比例縮放等步驟制作成等比例三維模型，再利用3D打印技術(shù)便可將模型1：1打印出來。3D打印可以靈活處理模型，直接在文件上進(jìn)行編輯修改，就可實(shí)現(xiàn)調(diào)整，同時(shí)，也可方便實(shí)現(xiàn)多色彩打印，甚至可以給模型增加透明、金屬等不同元素。
5.2在建筑材料方面
從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來看，3D打印技術(shù)主要是在陶瓷和黏土等建筑材料的施工上應(yīng)用，這是是以往建筑材料的不同之處，并且在今后的發(fā)展中該技術(shù)也會與纖維、化學(xué)等為主的材料進(jìn)行應(yīng)用，也會對建筑剩下的建筑材料進(jìn)行分解和重新建設(shè)，進(jìn)而促使材料得到循環(huán)利用，對建筑材料的利用率得到提升，建設(shè)生產(chǎn)成本。此外與傳統(tǒng)材料相比較3D打印技術(shù)中使用的材料物理性能質(zhì)量更加優(yōu)，例如：混凝土在3D打印技術(shù)的使用下，其原材料會有很大改變，在混凝土中可以加特配的水泥、樹脂等，使其符合3D打印的要求。
5.3在工程造價(jià)方面
在以往對工程進(jìn)行造價(jià)管理，主要是根據(jù)相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)圖紙來對工程量進(jìn)行計(jì)算，并且根據(jù)市場價(jià)格、定額保準(zhǔn)對價(jià)格進(jìn)行計(jì)算，對費(fèi)用進(jìn)行獲取，進(jìn)而在綜合之后計(jì)算出工程的預(yù)算價(jià)格，這就是工程成本，而設(shè)計(jì)的調(diào)整、變更等，對計(jì)價(jià)工作有很大影響，一個(gè)小的設(shè)計(jì)調(diào)整，都會導(dǎo)致計(jì)價(jià)工作很大的工作量。而采用三維建模后，可在施工前期充分對建筑施工各階段進(jìn)行分析，調(diào)整、計(jì)價(jià)也都非常方便，并可分析對比不同施工技術(shù)、施工流程對造價(jià)的影響。目前，由于我國3D打印技術(shù)發(fā)展還處于起步階段，結(jié)合3D打印的工程計(jì)價(jià)成本要比傳統(tǒng)計(jì)價(jià)成本高很多，并且伴隨著愛打印技術(shù)的不斷發(fā)展，將其與一些數(shù)字模型建設(shè)、設(shè)計(jì)以及材料等技術(shù)相結(jié)合，成本也會不斷降低。此外當(dāng)3D打印的設(shè)備慢慢普及后，施工企業(yè)只需購買并對其定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)、及時(shí)的更新程序，這樣就可以使得成本有很大程度的減少，保證經(jīng)濟(jì)效益的提高。
5.4在功能技術(shù)方面
在今后的發(fā)展中3D打印技術(shù)的發(fā)展更加多元化和多樣化，也就是技術(shù)的應(yīng)用不僅僅只是在某一個(gè)行業(yè)，而是應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)中，3D打印的設(shè)備也會獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工等過程，為建筑設(shè)計(jì)提供了更多的設(shè)計(jì)空間。3D打印的設(shè)備也會更加智能化，大大提高制作水平及效率，能夠在不同復(fù)雜施工環(huán)境中應(yīng)用。
6結(jié)語
綜上所述，在建筑工程中3D打印技術(shù)在不斷的實(shí)踐和發(fā)展，技術(shù)也越來越先進(jìn)和成熟，不僅可以使得建筑施工、設(shè)計(jì)朝著智能化方向不斷發(fā)展，還可大幅度提高建筑施工效率和質(zhì)量，對一些不好建筑材料減少利用，促使建筑施工更加節(jié)約材料和環(huán)保，也能夠很大幅度降低施工難度，保證人員安全。
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作者：李嘉 單位：廣州南方建筑設(shè)計(jì)研究院武漢分院