現(xiàn)在3D建筑打印作為一項(xiàng)新興技術(shù)，在使用范圍并不很廣泛的時(shí)候，而隨著運(yùn)用的逐漸普遍，帶來(lái)的問(wèn)題可能就會(huì)非常意外而復(fù)雜，也就需要工程師們的智慧來(lái)解決了

文　沈哲馭

現(xiàn)在3D建筑打印作為一項(xiàng)新興技術(shù)，在使用范圍并不很廣泛的時(shí)候，而隨著運(yùn)用的逐漸普遍，帶來(lái)的問(wèn)題可能就會(huì)非常意外而復(fù)雜，也就需要工程師們的智慧來(lái)解決了

文沈哲馭

3D打印技術(shù)近年來(lái)被炒得火熱。由于3D打印所需要的材料大都比較昂貴，3D打印機(jī)的尺寸又普遍比較昂貴而小型，其在大眾的印象里主要的使用還停留在的小型模型上。然而在材料應(yīng)用方面，3D打印技術(shù)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，產(chǎn)生了很多非常獨(dú)特的應(yīng)用，其中包羅萬(wàn)象，從巧克力到人造心臟，不一而足?？梢哉f(shuō)，人們簡(jiǎn)直把自己手邊可以拿到的每一樣?xùn)|西，都放進(jìn)了3D打印機(jī)里，然后把他們心中的幻想層疊固化出來(lái)。當(dāng)然也有很多人嘗試把混凝土塞進(jìn)打印機(jī)里，嘗試在建筑方面拓展3D打印的各種可能性。

“打印”房子在滬現(xiàn)身

近日來(lái)，某公司在上海張江青浦園內(nèi)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)打印的方式，在24小時(shí)內(nèi)，快速建造了10棟200平米建筑的墻體結(jié)構(gòu)。

24小時(shí)10棟多層建筑到底是個(gè)什么樣的速度呢？

在國(guó)內(nèi)現(xiàn)澆做法盛行的大背景下，筆者從萬(wàn)科集團(tuán)的住宅工程合理工期計(jì)算表中查到，對(duì)于框架結(jié)構(gòu)的400平方米多層建筑的地上部分工期預(yù)算是14天，斜屋面另加12天工期，總計(jì)26天。而現(xiàn)在通過(guò)3D打印技術(shù)的幫助，1天之內(nèi)就可以完成10棟建筑的主體結(jié)構(gòu)施工，其效率最高可以整整提高了26000%。更令人驚奇的是，該種3D油墨打印出來(lái)的墻體，在能夠起到高強(qiáng)度混凝土的結(jié)構(gòu)作用的同時(shí)，還能夠承擔(dān)保溫和防水的圍護(hù)任務(wù)，打印一次就可以完成主要的墻體功能，不需要再額外鋪設(shè)保溫層和防水層。而現(xiàn)在的工廠生產(chǎn)化程度最高的裝配式建造方式，也只能做到如此，傳統(tǒng)工地現(xiàn)澆的模式，與之相較更是效率差距巨大。

之所以能夠達(dá)到這樣的速度，主要是因?yàn)?D打印建筑的特殊施工方式和現(xiàn)在的施工方式有極大的不同。3D打印建筑主要分為兩種情況，一種是在工廠內(nèi)預(yù)先將所需部件打印成型，然后運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝；第二種是直接在場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)支起巨型打印機(jī)，直接在基礎(chǔ)上將房屋主體結(jié)構(gòu)一次打印成型。前一種更類(lèi)似于之前曾經(jīng)在上個(gè)世紀(jì)大行其道，最近又悄然復(fù)蘇的裝配式建筑，而后一種則更為獨(dú)特，我們之前提到的張江科技青浦園就是采用了這種形式。曾有相關(guān)人員參觀過(guò)案例現(xiàn)場(chǎng)后，如此描述現(xiàn)場(chǎng)感受“遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去，這些房子跟普通建筑沒(méi)有什么兩樣，但走進(jìn)一看，這些房子除了門(mén)窗外，墻體、地板、天花板都是聯(lián)成一體的，外墻看上去就像放大了的云片糕，層層疊疊，每層大概有兩厘米厚”?！爸灰?jiàn)一只巨大的噴頭，像奶油裱花一樣源源不斷噴出灰色的油墨，油墨呈“Z”字形排列，層層疊加，很快便砌起了一面高墻?！?/p>

由此可見(jiàn)，這種打印其原理和小型的3D打印并無(wú)二致，不過(guò)將普通的塑料或者金屬粉末置換成了速干型混凝土油墨，并且通過(guò)噴射的方式，使之層疊凝結(jié)起來(lái)，從而構(gòu)建建筑。但是這當(dāng)中，牽涉到了很重要的一點(diǎn)，就是3D打印的建筑似乎不需要長(zhǎng)時(shí)間的養(yǎng)護(hù)。而普通的混凝土施工，在澆筑之后，需要長(zhǎng)時(shí)間的濕養(yǎng)護(hù)，以維持混凝土中的水泥的水化過(guò)程能夠完全完成?；炷翝沧⒑?，如果適逢氣候炎熱、空氣干燥的情況，如果不及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，那么混凝土中水分就可能會(huì)蒸發(fā)過(guò)快，形成脫水現(xiàn)象，從而使得已形成凝膠體的水泥顆粒不能充分水化，于是不能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的結(jié)晶，因此缺乏足夠的粘結(jié)力，就會(huì)在混凝土表面出現(xiàn)片狀或粉狀脫落。整個(gè)鋼筋混凝土的施工過(guò)程中，混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間占用的時(shí)間很長(zhǎng)，也很復(fù)雜，但是從描述中可知，3D建筑打印使用的油墨已經(jīng)可以在室溫下，無(wú)需養(yǎng)護(hù)就能產(chǎn)生足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并完成粘連，這不得不讓人驚嘆技術(shù)的進(jìn)步。并且，因?yàn)?D打印使用噴頭打印的方式，不再需要重復(fù)支模，可以很大程度上節(jié)約模板。而模板在整個(gè)混凝土工程里占有5%-15%的預(yù)算，而且支模也需要相當(dāng)?shù)娜斯ず蜁r(shí)間。

在結(jié)構(gòu)工程效率極大地提高的情況下，整個(gè)建筑的建設(shè)周期可以極大的縮短。這點(diǎn)在中國(guó)的房地產(chǎn)市場(chǎng)上的意義極其巨大。它的直接結(jié)果就是極大地降低了整個(gè)房地產(chǎn)市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)成本。中國(guó)絕大多數(shù)的開(kāi)發(fā)商都是通過(guò)向銀行貸款，獲得大額資金來(lái)運(yùn)作項(xiàng)目的。這就帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，銀行的巨額貸款每天都在產(chǎn)生高額的利息，每延長(zhǎng)一天的工期就意味著多繳一天的利息。根據(jù)中國(guó)人民銀行今天發(fā)布的《2014年金融機(jī)構(gòu)貸款投向統(tǒng)計(jì)報(bào)告》顯示，中國(guó)2014年房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)貸款余額5.63萬(wàn)億元，按照央行最新一至三年貸款利率5.25%估算，2014年一年的房地產(chǎn)貸款的利息在2955.75億元，分?jǐn)偟矫刻煊?億元人民幣。如果全國(guó)范圍能夠節(jié)省一天工期，就能減少8億元的貸款利息。這個(gè)數(shù)字不可謂不驚人。

與此同時(shí)，3D打印據(jù)稱還更加有利于城市環(huán)境的保護(hù)。該公司的馬義和董事長(zhǎng)曾經(jīng)多次表示，該種油墨是一種特殊處理過(guò)的玻璃纖維加強(qiáng)過(guò)的混凝土，其原料來(lái)源很大一部分是來(lái)自于將建筑垃圾通過(guò)技術(shù)處理、加工、分離之后的再利用。而在中國(guó)，城市垃圾中建筑垃圾占到了總量的三分之一左右，從這個(gè)角度而言，如果如其所言，這不僅保障了油墨的來(lái)源取之不竭，同時(shí)更是對(duì)于都市環(huán)境下的節(jié)能環(huán)保有重大的意義。

技術(shù)突破或?qū)㈩嵏步ㄖ砟?/h2>

僅從建造效率角度而言，上一次建筑技術(shù)得到如此驚人長(zhǎng)足的發(fā)展，還是上個(gè)世紀(jì)初，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的時(shí)候。此后，隨著技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，設(shè)計(jì)師對(duì)于技術(shù)運(yùn)用的逐步熟練，終于在上個(gè)世紀(jì)30年代初期，產(chǎn)生了薩伏伊別墅這樣開(kāi)天辟地式的新建筑，完成了多米諾體系的最終確立，同時(shí)也宣告了現(xiàn)代主義建筑的誕生。隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的普遍運(yùn)用，建筑設(shè)計(jì)與使用也隨之發(fā)生了深刻的改變。

當(dāng)時(shí)建筑結(jié)構(gòu)相比于原先拱券承重墻系統(tǒng)，效率得到了前所未有的巨大提升，建筑建造活動(dòng)不再是動(dòng)輒十?dāng)?shù)年的大型工程。同時(shí)，建筑建造也不再是被傳統(tǒng)手工藝工匠壟斷的技術(shù)，而是逐漸變化為可以通過(guò)建筑產(chǎn)業(yè)工人規(guī)?；a(chǎn)的生產(chǎn)技術(shù)。隨著建筑施工工藝的改變，建筑行業(yè)也誕生了一批與之相應(yīng)的時(shí)代強(qiáng)音，陸續(xù)形成了包豪斯風(fēng)格、至上主義、野獸派等等深刻的影響了整個(gè)20世紀(jì)工藝美術(shù)史、設(shè)計(jì)史和文化史的思潮，徹底改變了19世紀(jì)的新古典主義折中主義的風(fēng)尚。

那么這次的技術(shù)革命是不是也是生產(chǎn)方式改變的前奏？同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院教授、致正建筑工作室創(chuàng)始人兼主創(chuàng)設(shè)計(jì)師張斌顯然認(rèn)同這樣的看法。在他的觀點(diǎn)里，整個(gè)3D打印建筑的技術(shù)革命，最有可能的發(fā)展趨勢(shì)就是從此讓建筑建造活動(dòng)從一個(gè)被專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員把持著技術(shù)的技術(shù)壟斷式生產(chǎn)活動(dòng)，變成一個(gè)更為容易掌握的，能夠讓普羅大眾參與進(jìn)來(lái)的生產(chǎn)活動(dòng)。當(dāng)建筑中數(shù)量眾多的構(gòu)造、做法、材料和結(jié)構(gòu)都能夠被輕松選取、組合的時(shí)候，尤其是當(dāng)3D打印技術(shù)和AR技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)的時(shí)候，大眾就可以通過(guò)UI友好的電子程序，自行進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)，同時(shí)通過(guò)AR技術(shù)轉(zhuǎn)化為虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景預(yù)先可體驗(yàn)，最后通過(guò)3D建筑打印技術(shù)直接建成。建筑師將從手工藝工匠轉(zhuǎn)型成專(zhuān)業(yè)技術(shù)官僚之后，又將最終轉(zhuǎn)型成為人們居住夢(mèng)想實(shí)現(xiàn)的幫助者和指導(dǎo)者，通過(guò)自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)協(xié)助人們將自己心目中的建筑功能布置得更合理，結(jié)構(gòu)更為輕便節(jié)約。

不過(guò)張斌認(rèn)為生產(chǎn)方式的改變是個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，是個(gè)趨勢(shì)，并不會(huì)因?yàn)榧夹g(shù)的出現(xiàn)而立即改變，而是會(huì)隨著技術(shù)的普及逐步的改變。在整個(gè)生產(chǎn)方式根本性質(zhì)改變之前，整個(gè)建筑的設(shè)計(jì)方式或許會(huì)出現(xiàn)一部分的先鋒作品，但是未必會(huì)成為主流的設(shè)計(jì)思潮。從現(xiàn)狀來(lái)看，整個(gè)建筑設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)相結(jié)合的部分，主要還是以參數(shù)化設(shè)計(jì)為主。參數(shù)化設(shè)計(jì)從現(xiàn)在的情況來(lái)看，還是以一種被資本主義的獵奇心理推動(dòng)著向前發(fā)展的造型藝術(shù)為主。這個(gè)思潮更多的是上個(gè)世紀(jì)高技派的余波，是對(duì)于技術(shù)本身極限的追索，但是并不是致力于改變整個(gè)建筑設(shè)計(jì)的方式。但是，當(dāng)然這種對(duì)于技術(shù)本身的探索，很大程度上也能有益于技術(shù)的普及。從3D打印技術(shù)來(lái)看，就是打印機(jī)械和油墨量產(chǎn)帶來(lái)的成本下降，同時(shí)大面積的商業(yè)運(yùn)用能夠同時(shí)照顧到特殊性和普遍性，使得技術(shù)的應(yīng)用范圍更為寬廣。但是據(jù)此就斷言，3D打印建筑技術(shù)將改變整個(gè)設(shè)計(jì)的思維方式，為時(shí)尚早。

未來(lái)發(fā)展應(yīng)用還需更深探索

當(dāng)然作為一項(xiàng)新興的建筑技術(shù)，3D打印離大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用還有比較大的距離。同濟(jì)大學(xué)建筑系博士生導(dǎo)師來(lái)增祥教授曾對(duì)媒體這樣表示，該3D打印的“油墨”的構(gòu)成主要是高標(biāo)號(hào)水泥和玻璃纖維。而據(jù)他所知，某些國(guó)家禁止建筑大量使用玻璃纖維，因?yàn)椴ＡЮw維會(huì)影響人體呼吸系統(tǒng)。現(xiàn)在的醫(yī)學(xué)研究表明，玻璃纖維的使用確實(shí)和作業(yè)工人慢性咽炎和慢性鼻炎有明顯的相關(guān)性?，F(xiàn)在3D建筑打印作為一項(xiàng)新興技術(shù)，在使用范圍并不很廣泛的時(shí)候，很多問(wèn)題并不會(huì)凸顯，而隨著運(yùn)用的逐漸普遍，帶來(lái)的問(wèn)題可能就會(huì)非常意外而復(fù)雜，也就需要工程師們的智慧來(lái)解決了。

3D打印建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、綜合強(qiáng)度、剛度、防火性、使用年限等等現(xiàn)在也仍然需要進(jìn)行仔細(xì)的調(diào)查研究，其能否在耐久性、承載力和耐火性能上符合各項(xiàng)指標(biāo)，仍然需要有關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)的考察和認(rèn)定。不過(guò)我們也不必為此過(guò)于擔(dān)憂，每一項(xiàng)技術(shù)在初始階段都不能夠盡善盡美，而是在運(yùn)用的過(guò)程中逐步發(fā)展和完善。從倫敦世博會(huì)1850年的水晶宮到現(xiàn)在隨處可見(jiàn)的鋼結(jié)構(gòu)，至今已經(jīng)有了150余年的發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)也經(jīng)歷了重重考驗(yàn)，從鑄鐵到現(xiàn)在的碳素鋼特種鋼，從原來(lái)的一燒就軟到現(xiàn)在的耐火極限的提升，技術(shù)也隨著時(shí)代的進(jìn)步一直在不懈發(fā)展。3D打印建筑的技術(shù)應(yīng)該也是如此，逐漸在運(yùn)用中走向精細(xì)和完善。

從現(xiàn)在來(lái)看，3D打印建筑確實(shí)取得了很多原來(lái)技術(shù)上難以想象的奇跡，而這些突破性的進(jìn)展主要是集中在效率和施工方式上。其技術(shù)發(fā)展的背后也蘊(yùn)藏著整個(gè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和生產(chǎn)方式改變的種子。這種生產(chǎn)方式的改變有可能帶來(lái)整個(gè)行業(yè)定位的巨大顛覆和整個(gè)建筑產(chǎn)業(yè)技術(shù)人員的角色轉(zhuǎn)變。然而從現(xiàn)在來(lái)看，并不能斷言3D打印建筑技術(shù)是不是一定會(huì)帶來(lái)新的建筑界、設(shè)計(jì)界乃至文化界的思潮變化。并且3D打印建筑因?yàn)槠溆湍目煽啃院托录夹g(shù)的固有的不穩(wěn)定，離迅速鋪開(kāi)成為主流技術(shù)還有一定的路程要走。但是3D打印建筑給建筑行業(yè)帶來(lái)的新的思考空間和維度，無(wú)疑已經(jīng)是陷入發(fā)展瓶頸的建筑行業(yè)的一個(gè)新的突破點(diǎn)。

【作者系同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院建筑師】