一文看懂：3D打印才是未來建筑工程技術(shù)的顛覆者

2013年4月的漢諾威工業(yè)博覽會上,，德國政府正式推出 “工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，“工業(yè)4.0”概念即是以“智能生產(chǎn)制造”為主導的第四次工業(yè)革命,。而以具有數(shù)字化、網(wǎng)絡化、個性化,、定制化特點的3D打印技術(shù)為代表的新技術(shù)就成為“智能生產(chǎn)制造”中推動第四次工業(yè)革命的巨大源動力。

3D打印技術(shù)在高端制造,、教育,、建筑設計、醫(yī)療,、航空航天,、文化創(chuàng)意、食品等領域都得到了實踐應用,，顯示出巨大潛力的發(fā)展前景,。本文對3D 打印的概念、技術(shù)類型及特點，在建筑領域的應用以及所面臨的問題等方面進行介紹,，并分享筆者對其在未來建筑領域應用前景的一些粗淺的看法,。

一  3D打印的概念
3D打印，即快速成型技術(shù)的一種,，運用該技術(shù)進行生產(chǎn)的特征是：應用計算機軟件（比如CAD設計軟件或者三維空間掃描立體成型軟件等）,，設計出立體的數(shù)據(jù)模型，然后通過特定的成型設備（3D打印機）,，用液化,、粉末化、絲化等可粘合材料逐層“打印”的方式來構(gòu)造的物體,。3D打印,，顧名思義，更通俗的理解就是一種可用于打印三維空間實物的技術(shù),，區(qū)別于二維平面打�,。ň褪浅Ｒ�(guī)的只能在平面上打印內(nèi)容的技術(shù)），其打印出的實際物體可以現(xiàn)場直接拿來使用,。3D打印作為一種通俗化名稱,，從成型方法方面來說其實質(zhì)是增材制造技術(shù)。

在這里要闡明兩個概念：所謂增材制造技術(shù),，就是基于3D模型數(shù)據(jù),，采用與減材制造技術(shù)相反的逐層疊加的方式生產(chǎn)物品的過程，通常通過電腦控制將材料逐層疊加,，最終將計算機上的三維模型變?yōu)榱Ⅲw實物,，是大批量制造模式向個性化制造模式發(fā)展的引領技術(shù)。而減材制造技術(shù)：以機械加工為例,，就是加工一個所需的零部件,，人們用一塊整體材料通過工具（如數(shù)控車床）進行切削、拉伸,、打磨等操作不斷去除多余部分的材料來“瘦身”,，最終獲得所需要的零件形狀。

二  3D打印技術(shù)及打印材料的概況
目前流行的快速成型技術(shù)有多種,，而其中應用于3D打印機的技術(shù)分為3DP 技術(shù),、FDM熔融層積成型技術(shù)、SLA立體平版印刷技術(shù),、SLS選區(qū)激光燒結(jié),、LOM分層實體制造技術(shù)，應用較多的主要基于以上前四種技術(shù),，現(xiàn)對前四種技術(shù)進行簡要介紹,。

3DP技術(shù)：采用3DP技術(shù)的3D打印機使用標準噴墨打印技術(shù),，通過將液態(tài)連結(jié)體鋪放在粉末薄層上，以打印橫 截面數(shù)據(jù)的方式逐層創(chuàng)建各部件,，創(chuàng)建三維實體模型,。采用這種技術(shù)打印成型的樣品模型與實際產(chǎn)品具有同樣的 色彩，還可以將彩色分析結(jié)果直接描繪在模型上,。

FDM熔融層積成型技術(shù)：FDM熔融層積成型技術(shù)是 將絲狀的熱熔性材料加熱融化,，同時三維噴頭在計算控制下，根據(jù)截面輪廓信息,，將材料選擇性地涂敷在工作臺上,，快速冷卻后形成一層截面,。一層成型完成后,，機器工作臺下降一個高度（即分層厚度）再成型下一層，直至形成整個實體造型,。其成型材料種類多,，成型件強度高、精 度較高,，主要適用于成型小塑料件,。

SL A立體平版印刷技術(shù)：SLA立體平版印刷技術(shù)以光 敏樹脂為原料，通過計算機控制激光按零件的各分層截 面信息在液態(tài)的光敏樹脂表面進行逐點掃描,，被掃描區(qū)域 的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應而固化,，形成零件的一個薄 層。一層固化完成后,，工作臺下移一個層厚的距離,，然后在 原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，直至得 到三維實體模型,。該方法成型速度快,，自動化程度高，可 成形任意復雜形狀,，尺寸精度高,，主要應用于復雜、高精度的精細工件快速成型,。

SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)：SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)是通 過預先在工作臺上鋪一層粉末材料（金屬粉末或非金屬粉 末）,，然后讓激光在計算機控制下按照界面輪廓信息對實 心部分粉末進行燒結(jié)，然后不斷循環(huán),，層層堆積成型,。該 方法制造工藝簡單，材料選擇范圍廣,，成本較低,，成型速 度快,，主要應用于鑄造業(yè)直接制作快速模具。

3D打印材料：按照材料的物理狀態(tài)分類,，3D打印材料可以被分為液 體材料,、粉末材料、絲狀材料,、塊狀材料等,。按照化學性能分類，可分為高分子類材料（如樹脂,、石蠟等）,、金屬材料（如鋁、鈦合金）,、無機非金屬材料（如石膏,、陶瓷等）及其復合材料。
簡單的來說,，3D打印技術(shù)的實現(xiàn)從準備到最后打印成型可以歸納為以下步驟流程：

構(gòu)件三維CAD模型的建立（或者用三維空間立體掃描儀進行實物掃描成為模型）———將CAD模型輸入3D打印機———3D打印機基于三維CAD模型文件切分成大量二維文件（類似于醫(yī)學當中的大腦切片技術(shù)）———將二維文件的幾何數(shù)據(jù)輸入激光/電子束/噴嘴頭的控制器（相當于打印機的打印噴頭）———控頭（打印噴頭）通過連接的豎向移動裝置一層一層沿著Z軸打印材料———對打印構(gòu)件做后期處理（例如打磨,，上色等）。

三 3D打印的特點及優(yōu)勢
從3D打印技術(shù)的概念最早出現(xiàn)在20世紀70～80年代一直到現(xiàn)在已經(jīng)有近30年的發(fā)展,，3D打印無論是在技術(shù)還是在材料上都日漸豐富和成熟,，展現(xiàn)出產(chǎn)品制作上巨大的發(fā)展?jié)摿Γ�其顯著的特點和優(yōu)勢如下：

1,、制作精度高,，現(xiàn)在市面上成型的精度：家用機級別的精度可達到0.1mm。全球最高精度的工業(yè)級3D打印機Solidscape,，最小層厚可以達到6.3μm,，表面精度達到0.81μm，分辨率可達到5000*5000*8000dpi,。

2,、制作周期短，現(xiàn)做現(xiàn)用,。傳統(tǒng)模型制作往往需要經(jīng)過模具的設計,、制作、模型制作,、修整等工序,，制作周期長，而3D打印則去除了模具的制作過程,，使得模型的生產(chǎn)時間大大縮短,，而且以打印出來實體就可馬上使用。

3,、個性化制作,。3D打印完全依賴于CAD技術(shù),，只要是圖紙上能夠設計出來的就能通過連續(xù)物理層的疊加打印出個性化產(chǎn)品，避開了傳統(tǒng)制造工藝復雜的生產(chǎn)流程,。

4,、無需模具，無需機械加工,，可以打印出實體的任意形體,、任意空間形態(tài)（例如中空形態(tài)或物中物形態(tài)）。

5,、產(chǎn)品制作材質(zhì)的多樣性,。一個3D打印系統(tǒng)往往可以實現(xiàn)不同材料的打印或者多種材料的混合打印，使得產(chǎn)品性狀不再單一,，這種材料的多樣性可以滿足不同領域的需要,。

6、小批量構(gòu)件制作成本相對低,。目前3D打印已被許多大公司采用,，用于取代一些傳統(tǒng)的加工制作方法,。據(jù)統(tǒng)計,，通過降低海外供貨商的運輸、包裝費用,、勞動力成本,，同時采用更便宜、可靠的新材料等,，3D打印可節(jié)約高達70%的加工成本,。

7、更加環(huán)保和節(jié)約,。制作過程中產(chǎn)生的垃圾更少,。比如，很多鋼材和塑料的制作就是一個產(chǎn)生大量工業(yè)廢料和耗費過量材料的過程,。以鋼材生產(chǎn)為例,，鋼材的切割和焊接會造成大量浪費，而采用3D快速成型打印則可以省去這個過程,。

8,、一體化3D打印解決方案更簡潔、高效,。即廠家不僅提供打印機還提供軟件工具和打印材料,，還提供技術(shù)人員幫助指導和培訓，從方案制定的選型,，定型,，到成型實體,，普通消費者可以無需任何專業(yè)背景即可容易操作上手。

這些顯著的優(yōu)勢使得3D打印技術(shù)實現(xiàn)了在多個領域的應用,。

四 3D打印顛覆認知,，改變建筑
Joseph Pegna是第一個嘗試使用水泥基材料進行建筑構(gòu)件3D打印的科學家，其方法類似于選擇性沉積法：先在底層鋪一層薄薄的砂子,，然后在上面鋪一層水泥,，采用蒸汽養(yǎng)護使其快速固化成型。而當前應用于建筑領域的3D打印技術(shù)主要有三種：D型工藝（D-Shape）,、輪廓工藝（Contour Crafting）和混凝土打�,。–oncrete Printing）。

1,、D型工藝——由意大利發(fā)明家恩里克?迪尼發(fā)明,，D型工 藝打印機的底部有數(shù)百個噴嘴，可噴射出鎂質(zhì)黏合物,，在黏合物上噴撒砂子可逐漸鑄成石質(zhì)固體,，通過一層層黏 合物和砂子的結(jié)合，最終形成石質(zhì)建筑物,。工作狀態(tài)下,，三維打印機沿著水平軸梁和4個垂直柱往返移動，打印機噴頭每打印一層時僅形成5mm～10mm的厚度,。打印機操作可由電腦CAD制圖軟件操控,，建造完畢后建筑體的 質(zhì)地類似于大理石，比混凝土的強度更高,，并且不需要內(nèi)置鐵管進行加固,。事實上這種方法類似于選擇性粉末沉積，打印所使用的材料為氯氧鎂水泥,。目前,，這種打印機已成功地建造出內(nèi)曲線、分割體,、導管和中空柱等建筑結(jié)構(gòu),。

2013年1月份，一位荷蘭建筑師與恩里克?迪尼合作,，嘗試運用D型工藝技術(shù)建造一棟建筑,，命名為“Landscape House”，預期在2014年完成,。該工藝甚至可以用于建筑人類在月球上的居所,。

2、輪廓工藝——是由美國南加州大學工業(yè)與系統(tǒng)工程教授比洛克?霍什內(nèi)維斯提出的,。與D型工藝不同是,，輪廓工藝的材料都是從噴嘴中擠出的,，噴嘴會根據(jù)設計圖的指示，在指定地點噴出混凝土材料,，就像在桌子上擠出一圈牙膏一樣,。然后，噴嘴兩側(cè)附帶的刮鏟會自動伸出,，規(guī)整混凝土的形狀,。這樣一層層的建筑材料砌上去就形成了外墻，再扣上屋頂,，一座房子就建好了,。輪廓工藝的特點在于它不需要使用模具，打印機打印出來的建筑物輪廓將成為建筑物的一部分,，研發(fā)者認為這樣將會大大提升建筑效率,。目前，運用該技術(shù)已經(jīng)可以打印墻體,，而且該團隊正在與美國宇航局合作,，試圖將輪廓技術(shù)運用到美國未來“火星之家”項目中，建造人類在火星上的居所,。

3,、混凝土打印——由英國拉夫堡大學建筑工程學院提出，該技術(shù)與輪廓工藝相似,，使用噴嘴擠壓出混凝土通過層疊法建造構(gòu)件,。該團隊研發(fā)出一種適合3D打印的聚丙烯纖維混凝土，并測試了這種混凝土的密度,、抗壓，抗折強度,，層間的粘結(jié)強度等物理性質(zhì),，證實該混凝土可以用于混凝土打印技術(shù)。目前該團隊用混凝土打印技術(shù)制造出了混凝土構(gòu)件,。
根據(jù)現(xiàn)有的資料分析,，3D打印可以以如下方式建造建筑物：

（1）全尺寸打印。這個方向的限制很明顯,，建筑越大所需要的3D打印機越大,，更重要的是3D打印機越大，打印 精度和打印速度就會變差,。所以現(xiàn)階段的單一打印主要是 解決3D打印房屋的一些基本問題如材料,、控制、精度等,。
（2）分段組裝式打印,。即建筑的模塊化,，在工廠里把 每塊打印好，最后在現(xiàn)場進行組裝,。這種方法的優(yōu)點是解 決了建筑尺寸的限制,，缺點是現(xiàn)場的組裝工作又涉及到勞 動密集型，提高了成本,。
（3）群組機器人集體打印裝配,。就是一群3D打印機 像蜜蜂一樣共同執(zhí)行任務（比如打印整幢房屋）。這樣,，打印機的尺寸跟建筑尺寸無關(guān),，同時打印機的智能要求也可 以大大降低。這種自組織自協(xié)調(diào)的群體智能方式也是現(xiàn)在人工智能的研究方向,。

從上述內(nèi)容可看出,，3D打印不僅是一種全新的建筑方式，更可能是一種顛覆傳統(tǒng)的建筑模式,。與傳統(tǒng)建筑技術(shù)相比,，3D打印建筑的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面：更快的打印速度，更高的建筑效率,；不再需要使用模板,，可以大幅節(jié)約成本；更加綠色環(huán)保,，減少建筑垃圾和建筑粉塵,，降低噪聲污染；減少建筑工人的使用,，降低工人的勞動強度,；節(jié)省建筑材料的 同時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)還可以根據(jù)需求運用聲學,、力學等原理做 到最優(yōu)化,；可以給建筑設計師更廣闊的設計空間，突破現(xiàn) 行的設計理念,，設計打印出傳統(tǒng)建筑技術(shù)無法完成的復 雜形狀的建筑,。

五 3D打印在國內(nèi)建筑工程領域的應用
我國3D打印技術(shù)正處于從起步到快速發(fā)展的過渡階段，許多3D打印的公司相繼成立,，其中一些依托高校成立的公司如北京殷華（依托于清華大學）,、陜西恒通智能機器（依托西安交通大學）、湖北濱湖機電（依托華中科技大學）,，已擁有3D打印設備生產(chǎn)和材料加工的能力,。其中，激光直接加工金屬技術(shù)發(fā)展較快，已基本滿足特種零部件的機械性能要求,，有望率先應用于航天,、航空裝備制造；生物細胞3D打印技術(shù)取得顯著進展,，已可以制造立體的模擬生物組織,，為我國生物、醫(yī)學領域尖端科學研究提供關(guān)鍵的技術(shù)支撐,。而在建筑工程領域,，3D打印技術(shù)應用也同樣取得可喜的成果。

2014年8月,，10幢3D打印建筑在上海張江高新青浦園區(qū)內(nèi)正式交付使用,，作為當?shù)貏舆w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”,，按照電腦設計的圖紙和方案,，經(jīng)一臺大型的3D打印機層層疊加噴繪而成，10幢小屋的建筑過程僅花費24小時,。據(jù)悉,，此次所用3D打印機高6.6米、寬10米,、長32米的打印機,，底面占地面積足有一個籃球場那么大，高度足有三層樓高,。且打印機長度還可以延伸,，完全拉開足有150米長。

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5層居民樓。這些建筑的墻體由大型3D打印機層層疊加噴繪而成,，而打印使用的“油墨”則由建筑垃圾制成,。據(jù)了解，5層高樓房由地下一層和地面五層組成,，每層的建筑面積為200平方米。建造一層這樣的房子,，打印材料要一天,，5個工人只需要花三天的時間就可以建造好。

2015年7月,，一座由3D打印的模塊新材料別墅現(xiàn)身西安,，建造方在3個小時內(nèi)完成了別墅的搭建。這個別墅由廚房、臥室,、衛(wèi)生間,、客廳燈模塊拼接而成，整個過程只需要一臺起重機,。據(jù)了解,，它每平方米重100公斤，成本價格在每平方米2500元至3500元,。雖是3D打印的別墅,，不過倒是不必擔心其質(zhì)量問題，據(jù)說此棟別墅可以抗9級地震,，房屋結(jié)構(gòu)中還充分填充了保溫材料,，房屋的保溫效果也非常不錯。
通過上述實例可以看出,，國內(nèi)的3D打印在建筑工程領域的應用已經(jīng)走在了世界的前列,。

六 3D打印在建筑工程領域的前景及所面臨的現(xiàn)實問題
3D打印技術(shù)在建筑工程領域仍然有很長的路要探索，其技術(shù)和材料上的局限性導致3D打印仍屬于概念及實驗階段,。雖然屬于它的市場空間不可估量,，但要將其投入商業(yè)化發(fā)展，還需要進行大量的前期科研工作,，以下對3D打印技術(shù)進行產(chǎn)業(yè)化發(fā)展應用所存在的問題談談一些粗淺的看法：

1,、3D打印技術(shù)跟建筑行業(yè)的技術(shù)融合、理論研究未能跟上,。眾所周知,，鋼結(jié)構(gòu)體系和鋼筋砼結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)過上百年的發(fā)展和演變，經(jīng)過全世界各國無數(shù)次的應用檢驗和地球上的各種惡劣自然災害情況的檢驗,，已運用到民用建筑,、公用建筑、橋梁隧道,、公路等各行業(yè),，各個國家都已有一整套完善成熟的技術(shù)標準、規(guī)范,、規(guī)程,，在理論上形成配套支持，但涉及3D打印建筑的標準,、規(guī)范運用仍然未有政府研究機構(gòu)在理論上著手推進,。同樣在學術(shù)領域的理論研究，在這一塊仍然是空白,。

2,、對于新材料應用于3D打印適應性的評估。隨著新材料的不斷發(fā)明及被引用至3D打印行業(yè)。首先應對這些材料用于3D打印的適用性進行定量定性的研究和評估,，即材料的特性,、力學性能指標、物理性能指標,、化學性能指標（耐腐性,、耐久性、耐高溫,、耐寒等）,、顆粒大小、粉末顆�,？煽扇苄�,、熱學、光學等特征,，這一系列材料的特性將成為達到3D打印產(chǎn)品所要求的機械性能,，特征分辨率、加工精度和表面質(zhì)量的瓶頸,。

3,、現(xiàn)有的3D打印材料雖然較多，但適合建筑工程行業(yè)的材料仍然受到限制,，另外現(xiàn)實中可用于建筑工程的某些金屬,、氯氧鎂水泥等已有材料，比較昂貴且稀少,，這跟相關(guān)配套的材料產(chǎn)能有很大關(guān)系,，如果這種材料未被市場全面認可和接受，則大范圍的市場化投產(chǎn)也是不可能的,，所以材料的種類在未來很大一條路上仍然是3D打印應用的一大障礙,。

4、對3D打印構(gòu)件的材料性質(zhì),、力學性能的研究：3D打印生產(chǎn)出的構(gòu)件是按層疊加的,，其材料的組成和性能都不同于傳統(tǒng)加工成熟的構(gòu)件，因此還需要大量相應的材性試驗來獲取3D打印構(gòu)件的各項性能指標,、力學性能,，例如材料的抗剪、抗彎,、抗拉,、抗扭、拉壓等特性,。

5、對于3D打印的局部構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)的連接方式的研究：包括連接的方式、強度,、延性,，同時由構(gòu)件拼裝起來的主體結(jié)構(gòu)的整體抗震、抗風,，是否滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求,，還有耐沖擊及撞擊性也是無相應試驗參數(shù)來檢驗。

6,、3D打印的尺度的局限,。對建筑工程的產(chǎn)品來說，其幾何形狀的大不是一般產(chǎn)品可比擬,，大空間,、大體量、大跨度等都是以“大”為特點,，3D打印還能否再進一步拓寬其制作的尺度,，在一定程度上決定了其應用的廣度，建筑產(chǎn)品或構(gòu)件體量越大,，機器輸出的尺寸越大,，打印機本身就越大，那么噴頭的行程要保證能覆蓋整體平面尺寸的范圍,，這就意味著機器的尺寸是相當驚人的,。

7、3D打印的綜合成本研究,，包括其本身生產(chǎn)成本的估計及控制,，以及與傳統(tǒng)施工方法怎樣組合使用能達到利益最大化等研究，如果能更進一步探索并解決這些問題3D打印在土木領域的應用將會更加現(xiàn)實,。

七 結(jié)語
建筑史在很大程度上是設計和建造技術(shù)史,，技術(shù)手段往往決定了建筑的設計表達方式，也決定了建筑的空間形式,，進而成為影響建筑觀念和建筑美學的重要因素,。理論上，3D打印技術(shù)可以解決一切建筑建造技術(shù)問題,，但3D打印技術(shù)與建筑工程的融合不是一朝一夕就可解決,，創(chuàng)新與傳統(tǒng)如何互為補充、互相滲透,、有機整合,，是每一位熱愛本行業(yè)的工程人員都需要深刻思考的事情。有一點可以肯定,，3D打印技術(shù)勢必在建筑領域會掀起一場劃時代的革命,。相信在3D打印的世界里,，建筑師、工程師和建筑工人將借助科技之力,，將建筑與3D打印結(jié)合,，完成對自然的再造，建造更加美好的生活,，有趣的未來,。這是一個創(chuàng)造奇跡的時代，“nothing is impossible”,，不是嗎,！

編輯：南極熊
來源：《基層建設》2015年23期
作者：戰(zhàn)毅 彭麗珍