3D 打印建筑的发展与展望★

2015-04-08苏义坤

山西建筑 2015年34期

张云苏义坤*

(东北林业大学，黑龙江哈尔滨 150040)

随着3D 打印技术的快速发展，它已成为“第三次工业革命”标志性技术之一，领导时代发展的潮流，迅速进入到诸如航空航天、医疗保健以及产品制造等各种研究领域。毋庸置疑，3D 打印技术已成为能够改变未来的创新性技术，它将对传统的社会生产产生巨大的影响。同样，3D 打印技术与建筑相结合的3D 打印建筑技术，必将成为建筑行业发展历史上的里程碑。

以3D 打印技术为出发点，介绍3D 打印建筑技术的发展现状以及相比传统的建筑行业存在的优势，同时结合3D 打印建筑技术目前存在的问题，展望3D 打印建筑技术未来的前景。

1 3D 打印技术发展分析

1.1 3D 打印的概念

3D 打印技术出现在20 世纪90年代中期，是一种快速成型技术。这种技术是以数字化模型文件为基础，利用粉末状金属或塑料等可粘合材料，打印机与电脑连接，经过逐层连续打印的方式来构造物体的技术［1］。简单的来说，3D 打印技术在普通的二维平面打印的基础上再加一维。

最近10年，3D 打印技术得到了迅猛发展，其应用已涉及到很多领域，如:生物、医学领域已成功地使用3D 打印技术进行人造血管等人体组织器官的制造，对医学技术的发展起到重要的作用;航空航天领域可以利用3D 打印技术制造各种不同的零部件，对生产品质进行精确控制;在建筑领域，3D 打印技术能够极大地提高施工效率，节约资源，并且可应用于建筑模型风洞实验和效果展示等。除此之外，3D 打印技术还可应用于汽车工业、电子电器、服装首饰、个性设计等众多领域之中。

1.2 3D 打印的优点

3D 打印技术整个过程中不需要使用原胚和模具，而是依据计算机的图形数据信息，通过增加材料的方法生成任何形状的物体，这就简化了产品的制造程序，缩短了产品的开发周期，达到了提高效率并降低制造成本的目的［2］。

2 3D 打印建筑

2.1 3D 打印建筑的概念

顾名思义，3D 打印建筑是利用3D 打印技术建造起来的建筑物，由一台大型的3D 打印机挤压头上使用齿轮传动装置来建造房屋的基础和墙体，从而构造出建筑物。

3D 打印建筑技术的基本原理是利用3D 打印技术建造房屋。与其他3D 打印的重要区别在于3D 打印建筑中的3D 打印机挤压头上挤出的是混凝土，由计算机进行智能化的控制，进行层层连续打印，最终形成建筑物［3］。

3D 打印建筑的技术主要包括3D 打印的油墨，打印油墨主要是由高标号的水泥和玻璃纤维结合构成。这种油墨具有液态、能耗低、弹塑性高、自然凝固成型、环保、对人体无伤害、自带保温、自重轻以及就地取材等特点，使建筑变得更加环保舒适［4］。

2.2 目前3D 打印建筑的发展现状

3D 打印建筑目前主要是打印建筑的墙体，根据设计相关需求，能够任意设计墙体结构。房屋的受力问题主要是通过预留墙体中梁和柱的空间，进行混凝土浇筑来处理;3D 打印出的空心桁架墙体，不仅能够减轻建筑物的自重，更能够利用空心墙体进行填充保温材料，使建筑物的墙体成为自保温墙体以解决建筑物保温问题;或者将墙体打印成双面模板的形式，在其内部浇筑混凝土。

目前3D 打印建筑尚未能将门窗及水电管线等连同墙体一次性打印成型，故3D 建筑打印的施工中需将门窗以及水电管线等位置预留。但由于是空心墙体，这些预埋件可以根据设计或者结构的需要自由布置。

1)国外的发展现状。俄罗斯已经发布了一幢3D 打印的建筑，运用的原理是打印墙体的各个部分相当于打印出墙体的各个配件，然后通过组装形成墙体;荷兰打印了一个景观房建筑叫莫比乌斯带，是用砂石和粘结剂打印若干个模块进行组装，但同样也没有打印出完整意义上的房子。

在3D 技术的研究方面，国外发达国家已经认识到3D 技术对各个领域的重要性和对传统生产方式的冲击性，以及可能带来的生产变革，因此，纷纷加快了3D 技术的产业化研发应用［5］。以美国和新加坡为例，美国政府仅2013年投资近1 亿美元建立了国家增材制造创新研究所，促进3D 技术产业化的发展;新加坡政府在3D 技术的研发方面投入5 亿美元，建立新的3D 打印行业生态系统，促进3D 技术的产业化运作。

2)国内的发展现状。2014年，全球第一批打印的建筑亮相张江青浦科技园，这是3D 技术在我国建筑行业的一大技术性新突破。这是通过3D 技术打印出的整栋完整的房屋，它是通过一台大型的3D 打印机，在施工现场就地取材，利用建筑废弃物，层层叠加连续打印喷绘而成。

2013年中国3D 打印产业纳入国家的发展战略项目，国内如成都、武汉等众多城市已经展开3D 技术自主研发，纷纷加入到3D 打印产业的行列，开始建立3D 打印产业园，制定3D 打印产业的技术发展路线［6］。对我国建筑领域来说，3D 技术的研究应用无疑能够带动建筑业的发展，抓紧建筑3D 打印技术的研发，是行业发展的一大机遇。

2.3 3D 打印建筑的优点

1)建筑3D 打印能够消化建筑垃圾。3D 打印建筑材料，也被称为“油墨”，其实是工业废物、矿山尾矿等建筑垃圾的循环再利用，因此，建筑材料便可就地取材。主要就是通过相应的技术处理、加工分离使建筑垃圾得到循坏利用，重新变成建筑物的原材料，这种循坏利用的方式，使建筑摆脱了粗犷的生产方式，让建筑更加环保、节能、耐久［7］。由于3D 打印建筑技术的材料主要是建筑垃圾与高标号水泥和纤维结合而成，因此能够有效地利用混凝土材料，降低了水泥需求量，并且可以大幅度提高建筑物使用寿命，这无疑又大大降低了建筑废弃物的产生，减少了工程的重复建设［8］。

2)提升建筑效率，缩短工期，整体上能做到节能减排。众所周知，传统的建筑施工需要支、绑、浇等一系列繁琐的施工程序，水泥、沙子、钢筋、混凝土、脚手架等在现场堆积，造成施工现场纷繁复杂，同时，更需要投入大量的人力，可以说，传统常规的建筑施工是一项巨大的生产劳动，牵涉到人员、材料、机械等大量的进出生产。

然而，建筑3D 打印技术，将传统的建筑施工工序一体化集成，变复杂为简单，3D 建筑打印技术利用了电脑的智能化操作与控制，使建筑物一次成型，比传统的建筑方式快10 倍以上，能够有效地缩短工期;建筑3D 打印技术的数字智能化能够减少建筑中的材料损耗和工艺损耗，不需要使用模板，能够大幅度节约成本，使建筑具有低碳、绿色、环保的特点;也不需要数量庞大的建筑工人，提高了建筑生产效率。

3)避免噪声影响和施工粉尘，有助于环境改善。传统的建筑施工现场总是伴随着频繁的材料与构件的运输、搅拌与浇捣混凝土等作业的机械轰鸣等各种噪声，同时水泥、沙土等易飞扬颗粒也造成了施工现场尘土飞扬，因此，传统的施工现场噪声与粉尘污染严重。

然而，建筑3D 打印技术数字化的操作过程避免了施工的环境污染，能够有助于环境改善，使建筑施工不影响人类居住的环境。

4)数字化3D 建筑打印可作为传统粗犷建筑行业的一个解决方案。只要将建筑进行扫描，就可以在数分钟之内产生复杂的环境和几何结构的详细三维图像，或者是建筑设计图纸，然后将所有建筑信息通过计算机控制3D 打印机，从而打印出建筑实体，这种方法快速、成本低、环保，能够合乎设计者的要求，并且节省大量的原材料。

5)能够体现出建筑的艺术性。由于3D 打印建筑是由计算机控制，因此只需根据计算机的指令工作，就能够造出过去难以实现的结构，从而增加建筑的艺术性。

由此可见，3D 打印建筑能够打印出各种形状的房屋，而不必受设计以及施工工艺的局限，突破了建筑空间结构的单一性，能够满足人们对于建筑艺术性的追求。

2.4 3D 打印建筑技术在整个工程项目建设过程的优势

1)前期开发阶段。目前大多的工程建设项目在前期开发阶段主要是通过二维图形想象三维空间，这就要求经过一定的训练和具备一定的经验，因此只能通过相关设计图纸或者意向图来表达工程项目的需求。而利用3D 模型，可以围绕模型进行讨论，能够清晰地看出工程建设项目的优势与不足，集思广益，使工程项目的建设能够尽可能的表达出各方的利益需求。

2)方案初始设计阶段。3D 打印建筑模型能够很好的展示出建筑物所在区域的环境背景，众所周知，建筑物不是独立的，它依附于环境而生。尤其是在大型建筑群的建造过程中，不可避免的要考虑工程项目建成后对其周围的建筑以及环境造成的影响，利用3D 打印技术将工程项目所在区域的背景打印出立体的模型，这能充分展示出设计是否能够与环境或者规划相符合。

3)提交方案成果阶段。设计最终就是要形成包括施工方案、工程成本、是否合乎准则等一系列的任务内容。在设计方案提交后，利用3D 打印建筑模型，并且将建筑物所在的环境也进行三维立体的展示，可以清晰地看出建筑物与环境之间的协调程度，尽可能的避免失败建筑。

4)项目技术设计和营造阶段。项目的技术设计和细部处理、风格展现等方面都可以较现在更加深化细致。例如在装饰装修中的内饰材料、内部空间的陈设和装饰物品，都能够通过模型得以展现，这将满足人们对房屋装饰的个性化需求。

5)项目的实施阶段。工程建设实施阶段只需要一台电脑和打印机、图纸，就能够打印出建筑。工程建设的数字化的控制与施工，可以提高施工效率，有效地缩短建设工期。

6)项目的最终成果展示阶段。3D 打印技术制造的模型，不仅仅能在设计阶段为建筑师提供参考，也不仅仅是3D 打印工程施工过程中的媒介，更能够作为一种成果展示工具，展现出建筑的最终形态。例如，将公司所有完成的工程建筑项目通过3D 建筑模型展现出来，从而使建筑物变得清晰直观，通过模型便能够了解建筑而无需进行实地考察，同时也能够帮助客户了解建筑的设计风格，赢取客户的信任，更能够体现设计风格和能力。

2.5 3D 打印建筑技术存在的问题

目前的3D 打印建筑技术正处于探索研究发展的阶段，对于其建筑房屋的材料保温、抗震、抗压等性能还有待进一步研究，因此，不可避免地会存在一些问题。

1)原材料问题。3D 打印建筑相对于建筑施工对原料的要求是不同的，3D 打印建筑所使用的绝大多数是高强度的特种混凝土材料，普通水泥可能无法同时满足建筑性能与打印技术的要求，可见3D 打印对于材料特性的要求必须考虑在内。3D 打印建筑主要就是通过打印机的喷头喷出材料从而建造墙体，这就意味着不仅要考虑受力以及机器成型方面的特点，而且对粗细骨料的质量提出更高的要求，甚至要采用新的破碎工艺制作。并且外加剂在普通混凝土中的作用可能由于材料的改变，使它在3D 打印建筑中特有的混凝土体系中发挥的作用以及作用机理也可能会发生改变［9］。因此，实现3D 建筑打印，材料是首先需要解决的问题。

2)软件的问题。与传统建筑施工不同的是，3D 打印建筑技术需首先完成电脑中建筑模型的设计，再通过自动化程序使之转换为实物，因此，设计软件成为3D 打印建筑技术准备阶段的重要组成部分，而如何实现软件与现实之间的转换成为打印混凝土发展不可或缺的步骤。

3)建筑高度的问题。目前的3D 打印建筑技术所使用机械的能力仍处于平面扩展阶段，可适用于低层大面积建筑的建设。而对于广泛使用的高层建筑还无法进行一次性打印成型，只能通过先打印预制件、再进行组装的方式来实现，对于高达几十米乃至上百米的高层建筑，首先必须有满足建筑高度的打印机;其次，高层建筑结构强度问题以及建筑结构中穿插钢筋问题也必须得到合理的解决。

4)整幢建筑一次性成型尚存在一定的局限性。3D 打印建筑目前的门窗、水电管线等尚需要在打印过程中预留出来，因此，门窗等需要在建筑物打印完成后进行装配，未能达到将门窗等包括在内的一次性整体成型的效果。这是3D 打印建筑目前存在的局限问题之一。

3 3D 打印建筑的前景

据不完全统计，由于房屋建筑所带来的建筑垃圾总量接近30 亿t，将近占中国城市垃圾总量的35%，更为严重的是，这些建筑垃圾正在以每年3 亿t 的数量增长;然而，我国正在面临着劳动力资源日趋紧缺、劳动力成本越来越高的严峻形势;我国传统的建筑行业生产方式粗犷，使得能源消耗巨大，在能源受限制的情况下，我国的建筑业不得不寻找新的出路;建筑业在为我国的GDP 做出巨大贡献的同时，环境污染问题却不容忽视，由此面临的环境保护压力加大。正由于以上原因，如何让建筑行业摆脱高耗能、粗犷型的生产方式，从而走上可持续发展的道路已成为全国关注的焦点。3D 打印技术作为传统行业的革命性技术，也为建筑行业的转型提供了一次重要契机，通过改变传统的建筑工艺，在环境保护、节省能源以及缩短工期等方面具有革新性意义。

3D 打印建筑将城市拆迁过程中的建筑垃圾、工业垃圾、矿山尾矿物等废弃物变废为宝，使之重新回到我们的建筑中去，大幅度降低了建筑能耗，让我们的建筑也走上低碳节能环保的道路［10］。

3D 打印建筑技术具有美好的前景，然而3D 打印建筑技术真正的被广泛推广应用，重点在于如何真正实现关键技术的突破，可能从根本上颠覆传统建筑业还有很长的路要走，但不需置疑的是，3D 打印建筑一定会成为未来世界的新标杆。