“3D”似在引領(lǐng)建筑的發(fā)展取向

■ 陳凱峰

建設(shè)文化

“3D”似在引領(lǐng)建筑的發(fā)展取向

■ 陳凱峰

“文化決疑”叢談之十四

近年來，采用“3D”技術(shù)為汽車打印零部件乃至模型車已不是什么新鮮事了，特別是當(dāng)今社會(huì)一些喜歡個(gè)性化的人們更希望自己的車有不同的造型風(fēng)格，于是，一些包括德國(guó)保時(shí)捷、日本大發(fā)等大品牌的生產(chǎn)商或供應(yīng)商就為這些人打印出他們喜歡的或訂制的個(gè)性化造型的車（參見圖14-1 左），并由此而成為一種汽車時(shí)尚。而據(jù)近期媒體報(bào)道，2017年新年伊始，美國(guó)德克薩斯州沃思堡的醫(yī)生同樣利用“3D”技術(shù)，為給一個(gè)僅 18 個(gè)月大患有先天心臟疾病的小女孩 I．Chacon 做心臟手術(shù)，打印出一顆“3D”技術(shù)的心臟模型（參見圖 14-1 右），從而成功地拯救了這個(gè)小女孩的生命；據(jù)說，此技術(shù)還可像人體心臟一樣而作為替代品植入體內(nèi)，真讓人感到不可思議！

圖14-1 “3D”現(xiàn)象示意例圖（左：“汽車”示意；右：“心臟”模型）

以一般概念而論，運(yùn)輸工具的汽車盡管能動(dòng)，但畢竟是一種機(jī)械性的無機(jī)物，以“3D”打印方式來制造尚可理解；而人是一類生命物種，其任何器官及組織都是有機(jī)質(zhì)的，尤其是心臟，更是人體能動(dòng)的核心器官，是人體生命中不可停息的、最為重要的動(dòng)態(tài)器官，這也能以“3D”方式來打制？那么，人們不禁要問 ：“3D”技術(shù)是否什么物品都能打造印制？

人居的建筑顯然與汽車相似，是有功能使用空間的，只不過汽車是活動(dòng)的功能空間，建筑則是不動(dòng)的功能空間，何況建筑的材料本身就不乏粘合性（如現(xiàn)代材料的“水泥”等）；只是建筑的體量相對(duì)要龐大，而且建筑功能配置復(fù)雜，所需的材料繁多，這或許才是“3D”建筑打制最主要的難度所在。當(dāng)然，打印的普遍性優(yōu)勢(shì)在建筑上還是存在的，與打印汽車相同的，建筑的打制同樣具有高效、精確等優(yōu)點(diǎn)。那么，人們?cè)撛趺纯创?dāng)代科技出現(xiàn)的這一宣稱能“顛覆傳統(tǒng)”的新技術(shù)應(yīng)用于建筑上的建筑結(jié)構(gòu)及施工營(yíng)造？且這一新技術(shù)是否應(yīng)該成為當(dāng)今建筑（Construction）發(fā)展的取向？

首先，以體量而言，“3D打印技術(shù)”是怎么運(yùn)用于龐大建筑體的？這種運(yùn)用是否適合作為建筑發(fā)展的取向？

2013年，由荷蘭阿姆斯特丹建筑大學(xué) J·魯基森納斯建筑師主創(chuàng)，并聯(lián)合意大利發(fā)明家 E·迪尼，采用E·迪尼設(shè)計(jì)的“D-Shape·3D 打印機(jī)”，設(shè)計(jì)打印出世界上第一座“3D 打印建筑”。因該建筑的造型結(jié)構(gòu)是一座地板延伸成外墻、再延伸成天花板的墻板可彎曲或扭轉(zhuǎn)的“環(huán)繞式”二層建筑，且形體流暢、柔順，成為所在地的一個(gè)以藝術(shù)造型著稱的觀光風(fēng)景，而被稱為“風(fēng)景屋（Landscape House）”（見圖 14-2），這就是被認(rèn)為是全球首座“3D 打印建筑”。其具體做法，是通過“3D 技術(shù)”打印出一些建筑模塊，然后組裝拼成“房屋”。

圖14-2 世界上首座“3D 建筑”—荷蘭“風(fēng)景屋”

當(dāng)然，遠(yuǎn)比汽車要龐大很多的建筑，如果要整體打制，顯然是有難以逾越的障礙，甚至可能無法完成。按常理來說，既然建筑是打印機(jī)打制的，那么若要整體打制建筑，首先要有可整體打印的“打印機(jī)”。僅以體量而言，顯然需要有活動(dòng)范圍是等體量或近體量的打制機(jī)器。若是建筑長(zhǎng)、寬的大體量，尚可以水平移動(dòng)來打印，就像僅是二層的“風(fēng)景屋”，或可整體打制出來；若是建筑高度或超高的大體量，恐怕就要增加很大的難度，或要?jiǎng)?chuàng)構(gòu)一個(gè)相應(yīng)高度的塔架來豎直移動(dòng)打印，或者打印機(jī)本身就是一架同樣龐大的機(jī)器。而實(shí)際上，上述的這一全球首座“3D 建筑”，打印的卻只是尺寸均為 6×9米的一個(gè)個(gè)模塊或構(gòu)部件，然后再將這些?？旎驑?gòu)部件組裝為一個(gè)整體。可見，“打印”只是建筑營(yíng)造的一個(gè)基本環(huán)節(jié)，真正能成為一座“建筑”的，還是之后的拼合組裝。嚴(yán)格地說，這一“風(fēng)景屋”并非打印制造的，更像是一座“裝配式”建筑。

至于“裝配式”建筑，則早已是“工業(yè)化”建筑的常見做法?！肮I(yè)革命”后，人類社會(huì)發(fā)展的一個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)就是“工業(yè)化”程度在社會(huì)中的比例份額?！肮I(yè)化”程度越高，社會(huì)發(fā)展越先進(jìn)。于是，工業(yè)技術(shù)的發(fā)展便成為國(guó)際社會(huì)發(fā)展最重要的目標(biāo)，也包括建筑工業(yè)化技術(shù)的發(fā)展。像機(jī)器一樣的“裝配式”建筑，也是在這一社會(huì)發(fā)展背景中產(chǎn)生的。建筑的構(gòu)筑就像是機(jī)器生產(chǎn)，是由一個(gè)個(gè)配件或零件組裝構(gòu)成的。1851年在英國(guó)倫敦舉行的第一次世界博覽會(huì)（時(shí)稱“萬國(guó)工業(yè)博覽會(huì)”），該博覽會(huì)的展覽館就是一座以鋼鐵為基本骨架鑲嵌上玻璃墻頂面層的裝配式建筑，整座建筑外觀通體透明且內(nèi)部寬敞明亮，僅建筑本身就是一件可“展覽”的展品，故而被人們奉稱為“水晶宮”（見圖 14-3）。

圖14-3 全球首座“裝配式建筑”—倫敦“水晶宮”

由于裝配式建筑的建造周期短、速度快、成本低，很快就受到人居建設(shè)的青睞，特別是在兩次世界大戰(zhàn)之后的人居重建中更是各國(guó)建設(shè)者們樂于選擇的建筑構(gòu)筑方式。這些年來，中國(guó)也在廣泛采用裝配式建筑，且主要是鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)部件的裝配式建筑。就比如方盒子造型的現(xiàn)代式“大板結(jié)構(gòu)”建筑，其建筑空間便主要是由墻板等構(gòu)部件組成的，而這些墻板完全可以在工廠里作“工業(yè)化”的規(guī)格模具的批量生產(chǎn)（參見圖 14-4 左），再將這些工業(yè)化生產(chǎn)出來的墻板運(yùn)送到所需的建筑工地（參見圖 14-1中），然后在一定的地基基礎(chǔ)上按圖吊裝這些墻板而組成建筑整體（參見圖 14-1 右）。

圖14-4 “裝配式建筑”生產(chǎn)裝配示意例圖（左：生產(chǎn)；中：運(yùn)輸；右：吊裝）

而且，建筑結(jié)構(gòu)的梁、柱等其它構(gòu)部件也同樣可以與墻板一樣，作工廠里的“工業(yè)化”模具預(yù)制的生產(chǎn)，并一樣可采用組裝方式來完成結(jié)構(gòu)整體?？梢姡b配式建筑是“工業(yè)化”的“現(xiàn)代建筑”一種常見結(jié)構(gòu)方式及施工做法，并非“現(xiàn)代后”的當(dāng)代所新創(chuàng)。

進(jìn)入 21 世紀(jì)，以“電腦時(shí)代”為背景的世界首座 3D打印建筑的“風(fēng)景屋”，其“D-Shape”打印出來的只是構(gòu)件式的模塊，對(duì)建筑構(gòu)成的總體來說，實(shí)際上還是裝配式建筑。如果說，確實(shí)有真正的“3D 建筑”，那就是 2016年 5月在阿聯(lián)酋迪拜落成的“全球首座 3D 打印辦公樓”（見圖14-5）。該“辦公樓”實(shí)非“重屋”之“樓”而只有一層，建筑面積 250 平方米，是使用一臺(tái) 20×120×40 英尺（即約6×36×12 米）的“3D 打印機(jī)”打制出來的，工期 17 天完成，成本約 14 萬美元。若僅以體量來看，其“3D 打印機(jī)”的形體比打制成品的“辦公樓”的空間占有量還大。據(jù)稱，該辦公樓是由一家中國(guó)的建筑科技公司承建打制的，并已通過了英國(guó)與中國(guó)的可靠性檢測(cè)，真可謂是“國(guó)際”成果。

圖14-5 迪拜“全球首座 3D 打印辦公樓”

顯然，非裝配性的一氣呵成的整體打印建筑，以迄今已有的國(guó)際“3D”技術(shù)看來，所依賴的打印機(jī)似乎大了些。若也依此方式來一次性成形地打印諸如此“3D辦公樓”所處背景中的其它“高樓”（見圖 14-5），那么又會(huì)是一架什么體量的“3D打印機(jī)”？這似乎有點(diǎn)讓人不敢想象！

因此，當(dāng)今“3D打印技術(shù)”在建筑上的運(yùn)用方式方法，顯然還有待斟酌和提高。否則，體量正在日益膨脹的當(dāng)代建筑可能無法給其運(yùn)用施展機(jī)會(huì)，或者嚴(yán)格意義的“3D建筑”只可能是一些體量較小的“屋”或“重屋”之“樓”。

其次，以材料而論，“3D打印技術(shù)”怎么才能滿足復(fù)雜的建筑及設(shè)備的結(jié)構(gòu)體？這種滿足的方式可否作為建筑發(fā)展的取向？

在汽車打印上，主要是采用塑料或金屬材料，這兩種材料原本就是汽車的主要用材；而建筑打印，塑料或金屬同樣可用，只是傳統(tǒng)用材主要是土、木、磚、石及近現(xiàn)代以來的水泥、鋼鐵，這些材料是否可用為“3D技術(shù)”的打印材料？若可用，怎么用？

現(xiàn)代以來大多數(shù)建筑的形成，都是需要經(jīng)過圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、模型制作及而后的施工成形等諸多環(huán)節(jié)的一個(gè)完整過程。其中的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，早已由 CAD（Computer Aided Design）圖紙?zhí)娲嗽瓉淼氖掷L圖紙，電腦時(shí)代的計(jì)算機(jī)技術(shù)也由此率先進(jìn)入了建筑形成的圖紙環(huán)節(jié)。而與CAD圖紙配套的模型制作，“3D”技術(shù)似乎更具優(yōu)勢(shì)而且順理成章，可在原有的CAD圖紙資料的基礎(chǔ)上，作整體模型的打印，其圖紙與模型兩環(huán)節(jié)的工作關(guān)系也更協(xié)調(diào)、形體表現(xiàn)也更吻合，使不同環(huán)節(jié)的建筑過程更具接續(xù)的一體性；而且，建筑模型打印本身也較不受用材的限制，體量再大、用材再?gòu)?fù)雜，都可以采用一定的膠凝或粘結(jié)材料（如石膏、樹脂或塑料等），整體打印出精確的建筑模型（參見圖 14-6）。

圖14-6 不同材料“3D 建筑”模型示意例圖（左：石膏模型；右：樹脂模型）

然而，建筑是功能使用空間，其用材是需要有足夠的力學(xué)強(qiáng)度的，以保證這一長(zhǎng)年使用的功能空間具有無可置疑的安全性；而一般具有膠粘性質(zhì)的材料本身，并不具備建筑所該有的材料強(qiáng)度，諸如石膏、樹脂等單純的膠凝粘結(jié)材料顯然是無法作為“3D 建筑”的主要材料使用的。那么，“3D 建筑”應(yīng)有的使用材料該是什么？ 2013年荷蘭首創(chuàng)的 3D“風(fēng)景屋”是采用人工砂巖和無機(jī)粘結(jié)劑材料打制的，砂巖是基本骨料，有很好的抗壓強(qiáng)度，由粘結(jié)劑合成，但抗拉能力卻非常有限。2016年迪拜“首座 3D 辦公樓”是使用特制水泥打印的，水泥有抗壓強(qiáng)度、又是膠凝材料，同樣不具抗拉能力。如此看來，“3D 建筑打印機(jī)”所能使用的膠凝材料，本身實(shí)際上沒有足夠的抗拉能力，而建筑是有空間需求的，其用材所必備的抗拉強(qiáng)度，無論如何都是不可缺少的，而建筑的營(yíng)構(gòu)又將如何解決這一問題？

實(shí)際上，荷蘭首創(chuàng) 3D“風(fēng)景屋”時(shí)的發(fā)明家 E·迪尼，當(dāng)時(shí)就建議風(fēng)景屋里面使用鋼纖維混凝土來填充。顯然，E·迪尼很清楚可作為打印材料強(qiáng)度的局限性，特別是抗拉強(qiáng)度的欠缺，也清楚鋼材料抗拉能力的卓越特性。那么，以傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的鋼材料來擔(dān)當(dāng)建筑主體的力學(xué)主角，顯然還是“3D”建筑不可或缺的基本條件。鋼材料之所以能擔(dān)當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的主角，主要在于其抗拉性，當(dāng)然，具有抗拉性質(zhì)的材料并不僅有鋼材，還有諸多其他材料，如塑料纖維、玻璃纖維等，甚至天然的植物纖維也有抗拉能力。而鋼鐵、塑料、玻璃或天然植物等，或許也都可以研為粉末而制成打印材料，可用相應(yīng)的“3D”打印機(jī)來打制建筑（參見圖14-7）。但由這些打印粉末經(jīng)“3D”打印機(jī)噴射凝結(jié)所成建筑的材料，還有無原材料一樣的抗拉性能？如最常用的鋼材，其粉末凝結(jié)所成還能一樣地作大跨度、大體量的當(dāng)代建筑用材嗎？恐怕不容樂觀！

圖14-7 不同材料打制的“3D 建筑”示意例圖（左：鋼筋混凝土；右：生物塑料）

廣義而言，任何材料都有可能成為建筑用材。人類文化或文明早期，人居所處的天然易得材料就幾乎都曾被用于構(gòu)筑居屋上，如草屋、木屋、土屋、石屋、竹屋、樹屋等；人類文化得到蓬勃發(fā)展后的近現(xiàn)代以來，不僅建筑材料類型隨材料科學(xué)的發(fā)展而異常豐富繁多，一些日常生活廢棄物品、甚至是非常不起眼的廢棄物也可能被用為建筑材料，如似乎并不宜用的廢棄酒瓶子，居然也被人廢物利用而壘砌為“酒瓶屋”，諸如此類的有很多?？梢?，可用為建筑的材料并不缺乏，關(guān)鍵在于怎么解決承載和跨度的問題。只要有強(qiáng)度，就能抗壓承載，則任何有強(qiáng)度的材料均可用，如上述荷蘭“風(fēng)景屋”所使用的“砂巖”材料，便遠(yuǎn)比一般混凝土的強(qiáng)度高；而要解決跨度的問題，就需要具備抗拉能力，并非所有的材料都能用上?，F(xiàn)代看來，最廣泛被用于抗拉的鋼材，也是有起抗拉作用的條件的。不同條件生產(chǎn)的鋼材就有不同的抗拉能力，如鋼筋混凝土建筑最常用的鋼筋有Ⅰ級(jí)鋼、Ⅱ級(jí)鋼等，其抗拉強(qiáng)度是不同的，這也緣于其化學(xué)成份、生產(chǎn)工藝等的不同。若將“鋼”研成粉末而制為“3D”打印材料，打印凝成后是否還有相同的抗拉強(qiáng)度？

故而，“3D”打印材料在建筑上所應(yīng)有的強(qiáng)度問題，也需要更深入地研究和提高。否則，其可能成為建筑的應(yīng)用范圍就非常有限。

圖14-8 中外傳統(tǒng)風(fēng)格“3D 建筑”例圖（左 ：荷蘭“運(yùn)河屋”；右 ：中國(guó)“仿古院”）

最后，人們大致可得到這樣一個(gè)歸結(jié)性的認(rèn)識(shí)，如果體量和材料都不成問題的話，那么“3D打印技術(shù)”確實(shí)可能成為未來建筑的發(fā)展取向。

當(dāng) 2016年中國(guó)公司為迪拜打制出“全球首座 3D 打印辦公樓”（見圖 14-5）時(shí)，在其落成典禮上，阿聯(lián)酋內(nèi)閣事務(wù)部 M·杰爾賈維部長(zhǎng)表示 ：“這是全球首個(gè) 3D 打印的辦公樓?！薄拔覀兿嘈胚@只是一個(gè)開始，世界也將因此而改變?！薄暗习莸哪繕?biāo)是 ：到 2030年將用‘3D 打印技術(shù)’建造國(guó)內(nèi) 25% 的建筑物。”顯然，該國(guó)是看好“3D 建筑”發(fā)展遠(yuǎn)景的，并肯定地給出了十余年占有 1/4 人居份額的預(yù)計(jì)發(fā)展指標(biāo)。

與此同時(shí)，業(yè)內(nèi)人士也普遍認(rèn)為，盡管“3D打印建筑”這幾年才剛起步，也存在著諸多不足，但憑借著“3D打印建筑”的人力省、成本低、速度快等不爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)，以及其建筑材料利用確實(shí)可控的巨大優(yōu)勢(shì)，未來勢(shì)必掀起工程建筑領(lǐng)域的革命，其潛在的發(fā)展前景已獲得了業(yè)內(nèi)的認(rèn)可。

況且，運(yùn)用先進(jìn)的電腦程控技術(shù)，與已有的CAD等設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)合，“3D”打制就不只是規(guī)整的“現(xiàn)代建筑”，甚至已有滿足“現(xiàn)代后”人居市場(chǎng)需求的傳統(tǒng)構(gòu)件或“符號(hào)”的“3D”打印的“后現(xiàn)代建筑”乃至仿古建筑在世界各地也會(huì)陸續(xù)出現(xiàn)。如在“風(fēng)景屋”稍后的荷蘭阿姆斯特丹，又有了荷蘭運(yùn)河沿岸的類似傳統(tǒng)人居風(fēng)格的“3D 建筑”—“運(yùn)河屋”（Canal House）的打制計(jì)劃，據(jù)稱預(yù)計(jì)在 2017年完成這一傳統(tǒng)樣式的沿岸“運(yùn)河屋”的打制工程（見圖 14-8 左）。又如相較結(jié)構(gòu)要復(fù)雜甚多的中國(guó)傳統(tǒng)建筑，若撇開傳統(tǒng)“木構(gòu)架”的結(jié)構(gòu)，而只是結(jié)構(gòu)樣式的仿構(gòu)，則“3D”打印也一樣不成問題，于是，非常逼真的“3D中式仿古建筑”便在近期產(chǎn)生了（見圖 14-8 右）。

可見，僅數(shù)年的“3D建筑”發(fā)展史，人們所給予的期望值是很高的，人們也相信，隨著人類科技的逐漸發(fā)展及“3D技術(shù)”的日臻成熟，“體量”和“材料”等可能都不成問題。那么，這真的會(huì)成為人居建設(shè)的發(fā)展取向及趨勢(shì)甚至完全取代人居建筑結(jié)構(gòu)及營(yíng)造的傳統(tǒng)方式嗎？

實(shí)際上，與所有的“電腦”技術(shù)一樣，其發(fā)展都不只是技術(shù)的問題，既不應(yīng)該也不可能是沒有局限性或沒有制約因素的存在。“3D 打印”的成熟，發(fā)展的只是技術(shù)的問題 ；對(duì)建筑來說，只是一種結(jié)構(gòu)方式和營(yíng)造技術(shù)。而任何結(jié)構(gòu)與營(yíng)造的方式及技術(shù)，都是人類功能空間創(chuàng)造的組成部分，也是地球環(huán)境中人居社會(huì)的構(gòu)成要素，其組成或構(gòu)成是否與建筑創(chuàng)造及人居社會(huì)乃至文化整體相協(xié)調(diào)、相吻合，需要從另一種角度檢驗(yàn)和認(rèn)識(shí)。

人類的建筑創(chuàng)造，需要的是功能空間，其“功能”是人居的生存生活需求，人類文化創(chuàng)造的根本目的也在于此。如果建筑創(chuàng)造的“3D技術(shù)”在克服了“體量”和“材料”等方面的技術(shù)問題以后，所創(chuàng)造出來的空間可能并不一定完全滿足或適宜人居的需求，那么這樣的建筑創(chuàng)造實(shí)際上是不完善的。也就是說，“3D 建筑”在給出空間的同時(shí)，也可能給出了問題。就比如，“3D 技術(shù)”以噴打液態(tài)材料即成固態(tài)為技術(shù)特征，其中必有的膠粘劑大多有不利于人居的成份，并在液態(tài)瞬間即成固態(tài)的物理化學(xué)過程中，有非自然空氣的主要成份（氮?dú)?78% 或氧氣 21%）之氣析出，則瞬間出現(xiàn)的環(huán)境空氣成份及比例的變化，顯然是不利于自然生態(tài)環(huán)境的，而且打制成建筑后也同樣有不利于人居的化學(xué)成份存在之嫌 ；若“3D 建筑”還成為一種人居建設(shè)的發(fā)展主流而大量出現(xiàn)，則所成建筑的意義顯然就有問題了—人居及自然是否允許？

因此，“體量”和“材料”等“3D”打制技術(shù)問題是可能得到解決的，其功利意義也可能使之成為引領(lǐng)建筑的發(fā)展取向，但對(duì)人居及自然的利弊如何，就恐未盡然了。

作者單位：泉州市建筑文化研究院（籌）