1. 引言
3D打印是以三维数字模型为基础，通过打印机将材料逐层堆积生产出实体的新兴数字制造技术，该技术将对传统行业的生产模式产生深刻影响，为传统建筑业的转型升级提供一种新的技术手段。目前，3D打印技术应用最为广泛和成熟的是打印缩尺度的模型 [1]。由于打印的模型具有直观性，3D打印技术最原始的应用是教学和无障碍沟通，如打印各类复杂人体组织、分子结构、机械结构等。其次3D打印模型被用于方案的模拟分析和优化，如医生在手术前通过打印模型进行手术方案的模拟，寻求最佳手术方案。之后，3D打印模型被用于外观和几何验证。最近，3D打印模型被用于性能试验，如通过打印不同类型结构的模型进行性能试验研究，获取最佳的设计结构，此外，该技术可用于打印相似模型，进行力学性能 [2]、离心机模拟 [3] 和风洞试验 [4]。
尽管3D打印模型已被广泛地应用于各领域，但在土木建筑领域的应用仍处于最原始的应用阶段，即打印模型的可视化应用，总之，当前3D打印模型技术在土木工程中的应用尚缺乏系统研究。
本文将系统研究3D打印模型在土木工程的应用技术，探讨影响建筑缩尺模型3D打印效率和耗材的因素，以及该技术在土木工程不同实施阶段(规划设计、投标、施工、竣工、运维)的应用方向和技术应用的选材及打印参数建议，并结合实际工程，进行打印试验，探索3D打印模型在工程应用的可行性。
2. 研究及应用现状
开展3D打印技术研究与应用的统计分析，如图1所示。由图可见，国际涉及3D打印技术研究较为广泛的领域是工程技术(17.7%)、机械工程(11.1%)和计算机科学技术(10.8%)，其中土木建筑工程领域研究不足1%，冶金工程技术、化学工程等其他领域研究占比均小于3%。国内涉及3D打印技术研究较为广泛的领域是计算机科学技术(32.5%)、经济学(15%)和临床医学(10.7%)，其中土木建筑工程领域研究占3.2%，电子通信与自动控制技术、航空航天科学技术、法学等其他领域研究占比均小于3%。需要说明的是图中WOS和CNKI分别表示Web of Science和中国知网数据库(数据截止2017年12月)，计算机*、电子通信*和土木工程*分别表示计算机科学技术、电子通信与自动控制技术和土木建筑工程。
对比国内外3D打印技术研究领域，由于3D打印技术起源与国外，国外在机械、计算机与自动化控制、材料等3D打印基础科学有大量研究，且工程应用的比例较高；尽管国内涉及3D打印技术在计算科学技术领域占有较高比例，但在自动化控制、材料、机械等基础科学的研究比例不高，同时工程应用的占比较低。尽管与国外相比，国内在土木建筑工程领域对3D打印技术的重视程度较高，但国内外在土木建筑工程领域涉及3D打印技术的研究占比总体低于其他领域。
(a) 
(b)
Figure 1. Analysis of research field for 3D printing technology; (a) WOS; (b) CNKI
图1. 3D打印技术研究领域分析；(a) WOS数据库；(b) CNKI数据库
图2为3D打印技术研究及应用发展趋势，由图可见，与国内相比，2013年以前国际对3D打印技术的关注度较高，但自2013年后，国内对3D打印技术的关注度大幅度提高，逐渐高于国外。
Figure 2. Research and development trend of 3D printing technology
图2. 3D打印技术研究及应用发展趋势
总体而言，国内外在3D打印技术的研究与应用呈现增长的趋势，且自2012年后，增长幅度显著增大。综合国内外3D打印技术的应用现状，3D打印技术在建筑业的应用占所有行业应用的比例不高，尚未成规模，目前主要应用于建筑装饰及模型等，3D打印实体建筑技术尚处于试验阶段，仅有个别应用案例。
3. 基本原理及关键技术
3.1. 基本原理
无论是从三维虚拟模型到打印缩尺建筑模型或打印建造实体建筑，其基本原理相同，均可概括为如图3所示，具体如下：
a) 3D数字模型的建立。根据设计概念建立3D CAD模型或BIM模型，模型必须为三维基于构造实体几何(Constructive-Solid-Geometry, CSG)或边界表示(Boundary-Representation, B-rep)的模型 [5]。通常包括两种建模的方法 [6] ：建筑参数化建模软件(如Revit、3dmax、3D CAD、Solidworks、Pro-E、Catia、Rhino等)直接建模，以及逆向技术建模(如通过三维扫描等获取点云数据，构造出三维模型)。
Figure 3. Basic principle of 3D printing
图3. 3D打印建造原理
b) 通用格式转化。将BIM模型转化为通用3D打印数据交互文件，最为流行的格式为STL (Stereolithography)文件，该文件为一系列三角形面的坐标列表，其边缘完全接触以形成表面模型 [7]。
c) 切片及路径规划 [5] [7]。通过数据软件处理，采用一系列平行、等间距的二维模型进行拟合，即分层切片处理；将切片得到的层片轮廓转化为打印喷嘴的运行填充路径，即层片路径规划 [8]。
d) 生产机器语言。生产机器能识别的语言，如G, H or M-codes等 [5] [9] ；经过步骤(c)处理生成机械运动指令。
e) 打印模型或实体建筑。在建筑3D打印系统的控制下打印头按照规划的路径进行层层叠加打印，最终形成建筑产品 [5]。
3.2. 3D打印的影响因素
影响建筑缩尺模型3D打印效率和耗材的影响因素如表1所示，主要包括：打印前准备时间、被打印物体体量、被打印物体复杂度、打印设备精度、打印强度、内支撑形式、打印方向、后处理时间等影响因素[10]。
Table 1. Key factors affecting 3D printing models
表1. 影响3D打印模型的关键因素
研究表明，被打印物体体量、被打印物体复杂度和打印强度均与打印耗材质量及打印时间呈正相关关系；打印精度与打印耗材质量及打印时间呈负相关关系，不同的打印内支撑形式(线性、十字、同心、蜂巢(honeycomb)、钻石型)、打印方向等对打印耗材质量及打印时间均匀影响；后处理主要包括拆支撑物和表面处理，表面处理方法包括机械、化学、电化学和现代表面处理方法，不同的处理方法具有适用性，针对不同的材料和工艺，应选取合理的处理方法；3D打印实际应用中应合理的确定各影响因素。
3.3. 应用方向及选材
表2为3D打印缩尺模型技术在土木工程不同实施阶段(规划设计、投标、施工、竣工、运维)的应用方向，主要包括10种类型，分别为：概念性外观试验、创意性外观试验、结构组装试验、结构力学试验、方案展示试验、施工准备试验、实施外观试验、竣工外观模型、竣工数字模型和运维外观试验。
表3给出了不同实施阶段3D打印缩尺模型应用选材和打印参数建议，可根据不同的实施阶段选出不同的打印材料和不同的打印参数。推荐的材料包括：聚合物、金属、陶瓷和石膏粉末等。打印参数包括打印模型的尺寸、精度和强度。
Table 2. Possible applications of 3D printing models in construction
表2. 3D打印缩尺模型在土木工程不同实施阶段的应用方向
Table 3. Choice of materials and parameters for 3D printing models in construction
表3. 3D打印缩尺模型在不同实施阶段应用的选材和打印参数建议
4. 工程应用
4.1. 背景工程
某工程需要在已建双线地铁上方进行地下空间拓展，施工大型建筑综合体，如图4(a)所示。为了保证已建地铁和新建建筑施工中的安全，拟开发新型施工工艺，即既有地下空间竖向网络化拓建改造施工工艺，如图4所示。
Figure 4. Vertical networked extension and reconstruction technology for underground space
图4. 既有地下空间竖向网络化拓建改造施工工艺
该工艺主要包括图4(b)施工预制型钢桩及铣削水泥土搅拌桩墙、图4(c)施工地连墙及注浆等多工艺加固、图4(d)局部加固及施工立柱支撑、图4(e)开挖并施工临时预制混凝土底板、图4(f)施工永久结构等关键技术步骤。
针对复杂的竖向网络化拓建改造施工工艺，为了交流更直观和无障碍沟通，采用3D打印技术进行工艺流程推演，实现工艺方案的优化。
4.2. 应用效果及分析
工程应用中所使用建模软件为AutoCAD 3D，所采用的打印设备包括桌面型3D打印机Cube Pro Duo和工业级立体光固化3D打印设备(图5)，其中立体光固化设备主要技术参数如表4所示。
Figure 5. 3D printer based on stereo lithography apparatus
图5. 立体光固化3D打印设备
Table 4. Key performance parameters of 3D printer based on stereo lithography apparatus
表4. 立体光固化3D打印设备主要技术参数
通过3D打印不同工况的模型试验，进行工艺流程推演研究，实现了工艺方案的优化，形成了优化后的既有地下空间竖向网络化拓建改造施工工艺，如图6所示。由图可见，3D打印技术可实现施工方案更加直观地交流和无障碍沟通，以此指导背景工程的施工。由此可见，3D打印模型在土木工程的数字建造中的应用，具有较好的适用性。
Figure 6. Application display using 3D printing: (a) 3D Digital model; (b) Printed models (Top view); (c) Printed models (Side view); (d) Details of printed model
图6. 3D打印技术应用效果：(a) 3D数字模型；(b) 打印模型俯视；(c) 打印模型侧视；(d) 模型细部
5. 结语
针对3D打印模型技术在土木建筑领域应用缺乏的问题，系统研究了3D打印模型在建筑数字化建造中的应用技术。结论如下：
1) 探讨了影响建筑缩尺模型3D打印效率和耗材的因素，包括被打印物体体量、被打印物体复杂度、打印设备精度、打印强度、内支撑形式、打印方向等，实际应用中应合理地确定各因素对应的参数。
2) 给出了3D打印在规划设计、投标、施工、竣工和运维阶段的应用方向，包括概念性外观试验、结构力学试验、运维外观试验等10类应用，并阐述了3D打印应用的选材及打印参数建议。
3) 以复杂的既有地下空间竖向网络化拓建改造施工为案例，开展了3D打印模型试验，试验结果表明，3D打印模型在土木工程的数字建造中的应用，具有较好的适用性。
基金项目
国家重点研发计划项目(2018YFC0705800)，上海市“科技创新行动计划”社会发展领域项目(16DZ1201600)，住房和城乡建设部项目(2017-K8-066)，上海建工重点科研项目(16JCYJ-02)。