3D打印建筑技術(shù)的現(xiàn)狀及展望

陳 敬

（重慶建工新型建材有限公司，重慶 401122）

前言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及人們生活水平的提高，人們對(duì)建筑提出了更高層次的要求，不再局限在使用功能上，崇尚藝術(shù)、追求綠色和智能化成為建筑發(fā)展的主流。其中，綠色建筑的推動(dòng)發(fā)展尤其重要與急迫，早在2009年12月舉行的哥本哈根世界氣候大會(huì)上，我國就將綠色建設(shè)列入工程計(jì)劃，向世界做出鄭重承諾，中國到2020年單位GDP二氧化碳排放量將比2005年下降40%～50%〔1〕。全力推動(dòng)建筑工業(yè)化，實(shí)現(xiàn)建造方式的轉(zhuǎn)型升級(jí)，是促進(jìn)綠色建筑發(fā)展的最有效途徑之一；而近年來，發(fā)展迅猛的3D打印技術(shù)，特別是3D打印建筑技術(shù)被認(rèn)為是建筑領(lǐng)域的偉大創(chuàng)舉，在大幅度節(jié)能減排及提升建造效率方面被寄予厚望。

1 3D打印建筑技術(shù)的現(xiàn)狀

3D打印也稱為“增材制造技術(shù)”，發(fā)源于19世紀(jì)末美國開發(fā)的照相雕塑和地貌成型技術(shù)〔2〕，自1984年Charles Hull 制作出第一臺(tái)3D打印機(jī)以來，3D打印技術(shù)經(jīng)歷了30余年的快速發(fā)展，成為了當(dāng)今最有生命力的先進(jìn)制造技術(shù)之一〔3〕。3D打印可使用的材料種類非常豐富，以金屬為材料可打印機(jī)械零件，以玻璃為材料可打印玻璃制品，以食物為材料可打印食品，以生物細(xì)胞為材料可打印出器官、骨骼等。在國外，已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)汽車、飛機(jī)，乃至人造血管的3D打印，國內(nèi)的3D打印技術(shù)較國外仍有近10年的差距〔4〕。2015年3月，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)改委、財(cái)政部印發(fā)《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃》，提出到 2016 年，初步建立較為完善的增材制造（又稱“3D打印”）產(chǎn)業(yè)體系，產(chǎn)業(yè)銷售收入實(shí)現(xiàn)快速增長，年均增長速度 30% 以上，整體技術(shù)水平與國際同步。

3D打印建筑是以砂漿、水泥及纖維等為打印材料，基于3D打印技術(shù)打印出來的建筑物。近年來，3D打印建筑在國內(nèi)外均取得了一定的進(jìn)展。

在國外，南加州大學(xué)的BehrokhKhoshnevis教授，采用一種基于混凝土的自動(dòng)化施工建筑輪廓打印方法，2004年，該項(xiàng)技術(shù)“打印”出5英尺長、3英尺高、6英寸厚的建筑部件。2012年，打印出空心墻體，其間布置桁架狀構(gòu)造，不但大大減輕了建筑本身的重量，而且還可在空隙處填充保溫材料，做為自保溫墻體。目前，該工藝可以做到24小時(shí)內(nèi)打印出約232m2的兩層樓房。

2010年，意大利籍Enrico Dini教授發(fā)了世界上第一臺(tái)以細(xì)骨料和膠凝料為打材料的數(shù)字打印機(jī)，名為D-Shape，可用建筑材料打印出高4m的建筑物。這打印機(jī)的底部有數(shù)百個(gè)噴嘴，可噴射出黏合物，再在黏合物上噴撒沙子，通過一層層的黏合物和沙結(jié)合，將沙子粘成像巖石一樣堅(jiān)固的石質(zhì)建筑物，建筑物的質(zhì)地類似于大理石，比混凝土的強(qiáng)度更高，并且不需要內(nèi)置鋼筋進(jìn)行加固。

2012年，英國倫敦設(shè)計(jì)工作室Softkill Design 的設(shè)計(jì)師們運(yùn)用3D打印機(jī)打印出了一個(gè)1：33比例的房子模型ProtoHouse1.0，它采用纖維材料打印而成，各房屋組件由場外制造，在3D打印實(shí)驗(yàn)室使用激光燒結(jié)生物塑料，并添加金屬等較堅(jiān)固的物質(zhì)制成，打印好之后運(yùn)送至建筑基地拼裝固定?！?〕

在國內(nèi)，2008年，盈創(chuàng)公司用3D打印技術(shù)“打印”出了第一塊建筑墻體材料。2014年4月，10幢3D打印建筑在上海張江高新青浦園區(qū)正式交付使用，作為當(dāng)?shù)貏?dòng)遷工程的辦公用房。這些“打印”出來的建筑墻體是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，按照電腦設(shè)計(jì)的圖紙和方案，經(jīng)一臺(tái)高6.6米、寬10米、長32米的大型3D打印機(jī)層層疊加噴繪而成，10幢小屋的建筑過程僅花費(fèi)24小時(shí)，每幢小屋面積十幾平米，最高不超過兩層〔6〕。2015年1月，數(shù)幢使用3D打印技術(shù)建造的建筑亮相蘇州工業(yè)園區(qū)，這批建筑包括一棟面積1100平米的別墅和一棟6層居民樓〔7〕。

2 3D打印建筑技術(shù)面臨的問題

傳統(tǒng)的建造一般經(jīng)歷方案設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、出圖施工、竣工驗(yàn)收等程序，需要大量的人力、物力及時(shí)間。而 3D 打印建筑，只需要在計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)好模型，接入3D打印設(shè)備，就能在短時(shí)間內(nèi)直接將建筑打印出來，具有施工快、人力成本低、極少產(chǎn)生廢料、打印過程中安靜環(huán)保、可打印曲線異形建筑等眾多優(yōu)勢。然而，3D打印建筑遠(yuǎn)比打印其他東西難度更大，尚有諸多技術(shù)問題有待解決。

（1）軟件問題〔8〕。3D打印建筑需要先完成電腦上模型的設(shè)計(jì)，再通過自動(dòng)化程序使之轉(zhuǎn)換為實(shí)物，設(shè)計(jì)軟件是3D打印建筑技術(shù)準(zhǔn)備階段的重要組成部分，如何實(shí)現(xiàn)軟件的可操作性及其與打印硬件設(shè)備的良好兼容，是3D打印建筑首選需要解決的問題。

（2）硬件問題。3D打印機(jī)是3D打印建筑最重要的載體，隨著打印建筑物的尺寸及高度增加，3D打印機(jī)會(huì)變得非常龐大，尤其是高層建筑的打印需要對(duì)應(yīng)高度的打印機(jī)。如何設(shè)計(jì)大型的打印機(jī)，特別是解決高層建筑打印過程中的打印機(jī)爬升問題，是解決大型、高層建筑打印的重要難題。另外，根據(jù)不同的打印材料，設(shè)置材料輸送系統(tǒng)，設(shè)置打印噴頭的形式及數(shù)量，保證打印材料布料的精度，也是3D打印機(jī)設(shè)計(jì)面臨的問題。

（3）材料問題。傳統(tǒng)建造方式大量使用常規(guī)的混凝土材料，而3D打印建筑對(duì)材料的要求更苛刻，需要保證良好的力學(xué)性能、保溫隔熱性能，與輸送設(shè)備和打印層厚相適應(yīng)的工作性能，合理的凝結(jié)硬化時(shí)間，較好的抗裂能力，較好的塑性，較好的綜合經(jīng)濟(jì)性。傳統(tǒng)的混凝土材料及其配合比設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)不能滿足3D打印建筑材料的設(shè)計(jì)要求，需要新的設(shè)計(jì)理論及方法來支撐材料設(shè)計(jì)。

（4）結(jié)構(gòu)配筋問題。層高較低的3D打印建筑，通過提高打印材料的強(qiáng)度及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，可保證無配筋條件下的結(jié)構(gòu)安全。但是，隨著打印建筑的層高增加，結(jié)構(gòu)中不配筋顯然難以保證建筑物的安全性，3D打印建筑結(jié)構(gòu)中如何配筋是一大難題。

（5）標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)問題。3D打印建筑屬于土木工程建設(shè)的范疇，其建造方式與傳統(tǒng)的建造方式有極大差異，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)已不適用，需要有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)做依據(jù)。目前，國內(nèi)外尚無3D打印建筑的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，不利于3D打印建筑技術(shù)的發(fā)展及推廣應(yīng)用。

3 3D打印建筑技術(shù)展望

3D打印建筑技術(shù)，以其節(jié)能節(jié)材、綠色智能、高效及個(gè)性化等優(yōu)勢，給傳統(tǒng)建筑行業(yè)帶來極大的沖擊與顛覆，具有廣闊的發(fā)展前景。但是，諸多尚未解決的技術(shù)難題，將成為3D打印建筑技術(shù)發(fā)展過程中的重要壁壘，該技術(shù)的大面積成熟推廣應(yīng)用，尤其是在高層建筑中的成熟應(yīng)用，是一個(gè)艱難且相對(duì)漫長的過程。但是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，誰能保證3D 打印建筑的時(shí)代不會(huì)真正來臨呢。正如哥本哈根未來研究學(xué)院名譽(yù)主任約翰.帕魯坦的一句話“我們的社會(huì)通常會(huì)高估新技術(shù)的可能性，同時(shí)卻又低估它們的長期發(fā)展?jié)摿Α薄?/p>

[1] 孫中秋、王宇緯. 淺析未來建筑的發(fā)展方式[J] 山西建筑， 2009，36（24）:39-40

[2] 林丹丹. 3D打印技術(shù)的版權(quán)問題研究[D] 浙江大學(xué)， 2014，（5）

[3] 劉曉梅. 第三次工業(yè)革命背景下 3D打印業(yè)企業(yè)競爭力影響因素研究[D]東華大學(xué)， 2014，（11）

[4] 肖緒文、田 偉、苗冬梅. 3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用[J] 施工技術(shù)，2015，44（10）:80-81

[5] 宋靖華、胡欣. 3D建筑打印研究綜述[J] 華中建筑，2015，02: 8-9

[6] 上海10幢3D打印建筑交付使用 建造僅用24個(gè)小時(shí)[觀察者] [2014-8-21]http://www.guancha.cn/Science/2014_08_21_258996.shtml

[7] 外媒都驚呆了 中國奪得 3D打印建筑世界第一[驅(qū)動(dòng)之家] [2015-1-22]http://news.mydrivers.com/1/375/375515.htm

[8] 馬敬畏、蔣正武、蘇宇峰. 3D打印混凝土技術(shù)的發(fā)展與展望[J] 混凝土世界，2014，61:45