基于3D打印時(shí)代的建筑技術(shù)發(fā)展研究

張曉光

（1.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266100；2.德州市公安局交通警察支隊(duì)，山東 德州 253000）

1 3D 打印技術(shù)的發(fā)展

3D 打印技術(shù)又稱為三維打印技術(shù)， 與傳統(tǒng)的打印技術(shù)不同， 它打印出來的是實(shí)物模型， 而傳統(tǒng)打印機(jī)打印出來的是圖紙。 3D 打印技術(shù)是以粉末狀金屬或塑料為原料，以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，利用逐層打印方法打印出不同形狀的實(shí)物的一種技術(shù)。 可以說3D 打印技術(shù)可以打印任何實(shí)物，它既能降低生產(chǎn)成本又能提高生產(chǎn)效率。

1.1 3D 打印技術(shù)的特點(diǎn)

3D 打印技術(shù)始于二十世紀(jì)80年代，目前，美國的Stratasys是世界上最大的3D 打印設(shè)備商。 有效降低成本是3D 打印技術(shù)最大的特點(diǎn)，因?yàn)?D 打印技術(shù)不需要紙和墨，它是運(yùn)用電子制圖、激光掃描、數(shù)據(jù)傳輸、材料熔化等一系列技術(shù)，通過打印把模型變成實(shí)物，從而節(jié)省一系列的人工、原材料成本。 另外，3D 打印技術(shù)還能大幅度節(jié)省工作時(shí)間。 例如，美國“輪廓工藝”的3D打印項(xiàng)目，一座200 多平方米的兩層樓房子在24 小時(shí)內(nèi)就能打印出來，這是傳統(tǒng)的建筑行業(yè)無法想象的。

1.2 3D 打印技術(shù)原理

3D 打印是采用分層加工、迭加成形，通過逐層增加材料來生成3D 實(shí)體，它具有速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，它是添加劑制造技術(shù)的一種形式， 它參照了打印機(jī)的技術(shù)原理，3D 打印分層加工過程與傳統(tǒng)的噴墨打印十分相似。 通俗地講，3D 打印是一片一片地打印，然后把它們疊加在一起，形成一個(gè)立體物體。 傳統(tǒng)打印機(jī)用的是“墨水”，而3D 打印機(jī)用的是貨真價(jià)實(shí)的原材料。

1.3 3D 打印的應(yīng)用

在國際上，3D 打印技術(shù)已成為一種發(fā)展潮流，在設(shè)計(jì)領(lǐng)域特別是在工業(yè)設(shè)計(jì)上更是被廣泛應(yīng)用，可以說，只要這些行業(yè)需要模型和原型，就可以通過3D 打印機(jī)打印出來。如燈罩、身體器官、賽車零件以及為個(gè)人定制的手機(jī)、小提琴，甚至是為隊(duì)員量身定做的足球靴等都可以用該技術(shù)制造出來。

近年來，3D 打印機(jī)在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域和房屋建造上更是以其突出優(yōu)勢(shì)得到越來越多的專業(yè)人員的青睞。 美國南加州大學(xué)教授比赫洛克·霍什內(nèi)維斯成立了自己的“輪廓工藝”3D 打印技術(shù)項(xiàng)目，正進(jìn)軍房屋建造領(lǐng)域。 最近，來自荷蘭阿姆斯特丹的建筑師們已經(jīng)開始通過3D 打印技術(shù)來制造世界上首個(gè)全尺寸3D打印房屋。

2 3D 打印房屋的技術(shù)研究

根據(jù)3D 打印技術(shù)原理可知，“打印” 房屋和打印其他東西并無較大差別，只是所用的原料不同，規(guī)格大小不同。 如果按照傳統(tǒng)的建造方法來建造房屋會(huì)有許多步驟， 需要耗費(fèi)大量的人力和物力才能建造一棟令人們滿意的房屋，而用3D 打印機(jī)則顯得較為容易。根據(jù)霍什內(nèi)維斯“輪廓工藝”，其房屋的建造是這樣“打印”出來的：首先選擇一塊足夠大的建房空地，安裝一臺(tái)“打印”設(shè)備，這一準(zhǔn)備過程只需3-5 人，準(zhǔn)備時(shí)間為幾個(gè)小時(shí)。這個(gè)“打印”設(shè)備有兩個(gè)滑軌，在滑軌的橫梁上有一個(gè)較大的給料機(jī)。其次是將預(yù)先設(shè)計(jì)好的房屋立體模型輸入3D 打印系統(tǒng)， 啟動(dòng)“開始”按鈕后，3D 打印設(shè)備上的移動(dòng)噴嘴就會(huì)噴射出特殊的水泥，勾畫出一個(gè)整體輪廓；最后，3D 打印機(jī)會(huì)一層一層地疊加墻體，一直到第一層樓板蓋好，再在頂上進(jìn)行第二層地面的澆筑，然后按此程序進(jìn)行房屋的屋頂和外部結(jié)構(gòu)的澆筑。 在整個(gè)操作過程中，3D 打印系統(tǒng)會(huì)按照規(guī)劃的要求預(yù)留出門窗的位置。 當(dāng)整個(gè)建筑的墻體完成后，再進(jìn)行水、電、氣、暖等基礎(chǔ)設(shè)施的安裝，最后是安裝門窗和內(nèi)部裝修工作。 此時(shí)，一棟完整的房屋就宣告完工了。 無需一磚一瓦，無需木材和腳手架，無需施工隊(duì)，在短短的20 個(gè)小時(shí)左右就能建造出幾幢簡單的毛坯房，而且用這種方法建造的房屋不會(huì)有任何安全事故。 據(jù)專家預(yù)測(cè)，用一天的時(shí)間就能建造一個(gè)近200 平米的房子， 其速度是人工建房所不敢想象的。

3 3D 打印技術(shù)的建筑工藝研究

3.1 “輪廓建筑工藝”

“輪廓建筑工藝”是美國南加州大學(xué)的“輪廓工藝”3D 打印技術(shù)項(xiàng)目，由美國航天局出資贊助，霍什內(nèi)維斯教授是該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。 霍什內(nèi)維斯說，“輪廓工藝” 其實(shí)就是一個(gè)超級(jí)打印機(jī)器人，它根據(jù)電腦設(shè)計(jì)的程序，層層疊加把房子打印出來。 “輪廓工藝”的速度之快令人震驚，一棟兩層樓高、面積200 多平方米的樓房用20 多個(gè)小時(shí)就能打印出來。 除此之外，該機(jī)器人還可以負(fù)責(zé)打印外墻、鋪地板等工作，即使貼墻紙也能辦理。 當(dāng)然，這個(gè)機(jī)器人不是萬能的，到目前它還不能完全替代工人，諸如門窗安裝、管道鋪設(shè)等工作仍需要人工來完成。

3.2 “輪廓工藝”建造的房屋

用“輪廓工藝”打印出來的房屋具有外形美觀、環(huán)保、省時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，它使人類的創(chuàng)造力得到極大提升。 3D 打印是人類智慧的成果。 有了3D 打印，人類可以更加專注于設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。 一棟經(jīng)典、別具一格的建筑是以設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的，有了3D 打印，建筑設(shè)計(jì)師無需花費(fèi)較多的時(shí)間學(xué)習(xí)制造手藝， 也無需等待較長時(shí)間生產(chǎn)原型產(chǎn)品， 用幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間就可以把頭腦中的新創(chuàng)意轉(zhuǎn)化成實(shí)物。 因此只要完成不同功能、風(fēng)格各異的建筑的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，就可以通過3D 打印來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)意。

3.3 3D 打印出不同功能的房屋

首先是用于急需的簡易用房。 當(dāng)?shù)卣?、泥石流、海嘯等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，需要在最短的時(shí)間內(nèi)將受災(zāi)人群妥善安置。 傳統(tǒng)的建筑行業(yè)建造房屋需要一定的時(shí)間，而用3D 打印房屋就可以在短時(shí)間內(nèi)解決這一問題。 特別是按照“輪廓工藝”技術(shù)建造的房屋是真正可以居住的房屋，在室內(nèi)可以安裝各種設(shè)施，其強(qiáng)度和性能均優(yōu)于當(dāng)前使用的活動(dòng)板房或救災(zāi)帳篷，關(guān)鍵是速度快，極具實(shí)用性。

其次是用于經(jīng)濟(jì)適用房或廉租房。 “輪廓工藝”具有建造時(shí)間快、性能優(yōu)越的特點(diǎn)，其完全可以用于低成本房屋的建造，為經(jīng)濟(jì)條件困難又想改善居住條件的人群服務(wù)。這一類住房，由于其強(qiáng)度更高， 工序也較為繁瑣， 因此與上述急需用房的建造相比，花費(fèi)的時(shí)間要長一些。

4 3D 打印在世界建筑領(lǐng)域的發(fā)展與展望

4.1 英國

英國Softkill Design 建筑設(shè)計(jì)工作室在2013年初就形成了3D 打印房屋概念，他們認(rèn)為，3D 打印房屋需要用尼龍搭扣進(jìn)行固定，同時(shí)還要借助傳統(tǒng)建造技術(shù)。他們的設(shè)計(jì)理念是在骨骼基礎(chǔ)上建造纖維尼龍結(jié)構(gòu)，而不是固體墻壁，采用的是極簡抽象派工藝，用足夠的塑料來保證結(jié)構(gòu)的完整性。這種方式比現(xiàn)場(chǎng)采用沙子和混凝土來進(jìn)行3D 打印制造的效果更好。

英國建筑設(shè)計(jì)工作室的3D 打印房屋概念將是房屋建造的革命性改變，他們用20 多天的時(shí)間將所有組件制造出來，并能用一天的時(shí)間組裝起來。 隨著3D 打印技術(shù)的日趨成熟，成本會(huì)不斷降低，這也意味著不久的將來會(huì)制造出更多的經(jīng)濟(jì)型3D 打印房屋，最終能緩解英國住房危機(jī)。

4.2 中國

最近， 在我國上海市用3D 打印機(jī)成功打印出了十棟實(shí)體房屋。 這十棟“樣板房”矗立在上海的一處園區(qū)內(nèi)，最大的一幢兩層建筑長10 米、寬6 米、高4 米，用不到三小時(shí)就完成了。 這十棟實(shí)體房屋經(jīng)過簡單的內(nèi)部裝修后，將作為園方的辦公室。

據(jù)中國3D 打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟協(xié)會(huì)負(fù)責(zé)人講， 到2016年，我國國內(nèi)3D 打印市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到100 億元。就像數(shù)碼相機(jī)替代膠片相機(jī)那樣，3D 打印會(huì)顛覆傳統(tǒng)的建筑行業(yè)。

但是在當(dāng)前用3D 打印出來的建筑還缺乏實(shí)體建筑功能，更像是模型而不是可以實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品。 3D 打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展任重道遠(yuǎn)，但是其在設(shè)計(jì)業(yè)、建筑業(yè)的前景十分廣闊。

不管人們是否認(rèn)可，3D 打印技術(shù)已悄然走入人們的視野。在發(fā)展過程中，3D 打印還存在著耗費(fèi)建材成本高、 兼容性較差等問題，盡管如此，也阻攔不了其前進(jìn)的步伐。 英國的索爾教授研制的3D 打印機(jī)不但能打印出毛坯房的基本結(jié)構(gòu)，還能打印出整體浴室的結(jié)構(gòu)、 簡單的裝潢設(shè)施， 甚至還能繪制出精美的壁畫。 意大利米蘭設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室和英國的建筑師設(shè)計(jì)的電腦系統(tǒng)中，可以下載多種固定結(jié)構(gòu)和尺寸的房屋構(gòu)件。 建造房屋時(shí)可直接從電腦中下載需要的構(gòu)件，打印出來進(jìn)行組裝即可，高效、便捷、成本低，非常適用于災(zāi)后重建領(lǐng)域。 美國的霍什內(nèi)維斯教授和他的團(tuán)隊(duì)更是提出了在月球上或火星上建造房屋， 在外星球上建造的房屋可就地取材，具有安全可靠、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，這將會(huì)為人類走向太空鋪平道路。

[1]謝若承，程捷.改進(jìn)DataWindow 的打印技術(shù)[J].中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，1998（01）.

[2]范岳.Epson STYLUS C80 彩色噴墨打印機(jī)[J].電子測(cè)試，2002（01）.

[3]周麗韞，李鑫，代治國.VB 不規(guī)則打印技術(shù)及預(yù)覽的研究與應(yīng)用[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005（02）.