3D打印建筑發(fā)展動態(tài)分析報告（下）

3）混凝土打印工藝
混凝土打印工藝由英國拉夫堡大學(xué)建筑工程學(xué)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(tuán)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(qiáng)度,，層間的粘結(jié)強(qiáng)度等物理性質(zhì),，證實(shí)該混凝土可以用于混凝土打印技術(shù)。目前該團(tuán)隊用混凝土打印技術(shù)制造出了混凝土構(gòu)件,。表2 為混凝土打印工藝與輪廓工藝和D-Shape工藝的對比：

2014年8月21日,，蘇州的建筑材料公司盈創(chuàng)使用一臺巨大的3D打印機(jī)，采用特殊的墨水—混凝土進(jìn)行打印,，在一天內(nèi)主要利用可回收材料,，建造了10棟200平方米的毛坯房，展示了3D打印機(jī)的強(qiáng)大功能,。

4）尼龍纖維激光燒結(jié)工藝
英國倫敦設(shè)計工作室Softkill Design正著手使用3D打印技術(shù)建造大批量民用住房,。這些房屋以骨骼架構(gòu)為原型，以纖維尼龍為結(jié)構(gòu)制作所有的部件需要三個星期,，組裝起來則只需要一天,。這種3D打印房屋概念將是房屋建造的革命性改變，甚至能夠最終解決英國住房危機(jī),。2012年,，倫敦設(shè)計工作室Softkill Design 的設(shè)計師們運(yùn)用3D打印機(jī)打印出了一個1：33比例的房子模型 ProtoHouse1.0（圖2-17），它并非采用實(shí)墻建造模型,，而是采用纖維材料打印而成,，外形似如洞穴。

ProtoHouse1.0共分30節(jié)段打印,，各房屋組件是場外制造的,，在3D打印機(jī)實(shí)驗(yàn)室使用激光燒結(jié)生物塑料，并添加金屬等較堅固的物質(zhì)制成,。打印好之后運(yùn)送至建筑基地拼裝,，用尼龍搭扣或者像鈕扣一樣的扣合件進(jìn)行固定,。這種方式比現(xiàn)場采用沙子和混凝土3D打印制造的效果更好。截至2013年3D打印制造的纖維結(jié)構(gòu)只有0.7mm厚,。而下一步,，在前者的研究和開發(fā)的基礎(chǔ)上，將打印出一幢4m×8m的單層建筑ProtoHouse2.0,。建造3D打印房屋的成本并未公布,，但雷特辛表示，伴隨著3D打印行業(yè)的快速發(fā)展,，將逐步降低制造成本,，這意味著不久的將來，建造經(jīng)濟(jì)型3D打印房屋將成為現(xiàn)實(shí),。

5）粉末壓實(shí)與蒸汽固化工藝
恩斯赫德（荷蘭東部城市）的學(xué)者A. Budding在粉末壓實(shí)的快速成型技術(shù)方面進(jìn)行了一些研究,。在這類特殊設(shè)備上的研究，馬里博爾大學(xué)的DanijelRebolj提出一種新的建筑技術(shù)概念,，可以在納米級的層次進(jìn)行施工追蹤,。美國華盛頓大學(xué)的Ben Utela等在3D打印建筑的工藝方面提出了5個步驟：材料配合、粘結(jié)劑選擇,、粘結(jié)配方和測試,、打印流程規(guī)范、后期處理等,。泰國國家金屬和材料技術(shù)中心的R. Chumnanklang等研究低成本的水溶性天然高分子粘結(jié)劑,、羥磷灰石顆粒噴霧干燥技術(shù)在3D打印中的應(yīng)用。 圖 2-18為世界首座3D打印辦公樓,。

紐約倫斯勒理工學(xué)院機(jī)械工程系的Joseph  Pegna研究了新的加法制造的3D打印對于建筑施工自動化的效果,，研究蒸汽固化工藝，評估了這種大型建筑結(jié)構(gòu)的固體成型技術(shù)的前景,。麻省理工學(xué)院的史蒂文.基廷等提出了使用機(jī)器人技術(shù)用復(fù)合材料制造和復(fù)制的3D打印,。英國的拉夫堡大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院的T.T. Le 等研究了用3D打印技術(shù)通過9mm直徑噴嘴打印逐層累積的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。這不同于傳統(tǒng)的施工,，密實(shí)分層過程中的混凝土達(dá)到很高的拉壓強(qiáng)度,。

6）建筑構(gòu)件拼裝與整體建筑打印結(jié)合的工藝
3D打印建筑工藝設(shè)計需要更多地和仿生學(xué)結(jié)合，設(shè)計輕質(zhì)高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu),，來彌補(bǔ)3D打印建筑不便采用傳統(tǒng)建筑鋼筋帶來的強(qiáng)度損失,。未來的3D打印建筑發(fā)展方向?qū)⒎譃榻ㄖ��?gòu)件打印后拼裝,、整體建筑打印和兩種工藝互補(bǔ)等形式,。

此外，現(xiàn)行的沙袋地球屋(Sand bag earth house)可以采用CC打印工藝整體完美實(shí)現(xiàn),。其原理是采用包裝好的沙袋碼疊成圓拱形,，構(gòu)筑非常自然的居住環(huán)境(見圖3-2,、圖3-3)。國內(nèi)的新農(nóng)村建設(shè)可以以此為樣板,。

7）3D打�,。珶o人機(jī)技術(shù)

英帝國理工學(xué)院、倫敦大學(xué)學(xué)院和英國巴斯大學(xué)的研究人員對于未來3D打印借助BIM,，再新添無人機(jī)雙翼后,，將在災(zāi)難安置房領(lǐng)域發(fā)揮的作用有了更高的期待。

這種3D打�,。珶o人機(jī)的技術(shù)被稱為“空中添加建筑制造”（Aerial Additive BuildingManufacturing）,，簡稱AABM。研究人員表示,，他們希望通過AABM，實(shí)現(xiàn)：無人機(jī)搜集現(xiàn)場信息—將搜集到的信息提供給BIM軟件—設(shè)計結(jié)構(gòu)—使用具有3D打印功能的攜帶了打印材料的多架無人機(jī)進(jìn)行建設(shè)。

研究人員稱,，AABM技術(shù)不僅能被用于災(zāi)后應(yīng)急建筑的建設(shè),，還有可能成為一種改變所有建筑類型的新方法。
這不是首個旨在打造災(zāi)難或應(yīng)急住房的3D打印項目,。難民住房危機(jī)或?qū)⑼ㄟ^使用機(jī)器人組裝3D打印的預(yù)制構(gòu)件以非常經(jīng)濟(jì)的方式得到解決,。
但是，這是史上首次運(yùn)用3D技術(shù)＋無人機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場建設(shè),，而無需使用大型打印機(jī)或預(yù)制構(gòu)件的方法,。

第三部分 3D打印建筑的發(fā)展前景

3.13D建筑打印技術(shù)對于傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢
與傳統(tǒng)施工工藝相比，3D建筑打印技術(shù)的優(yōu)勢主要有：
1）施工速度至少要快10倍,，且建筑類型,、復(fù)雜性等因素不會增加建設(shè)成本；
2）由于全程由電腦程序操控,，直接基于CAD設(shè)計等的施工建造只產(chǎn)生5~10mm的誤差,，該技術(shù)允許的精度和設(shè)計自由性在過去聞所未聞，建筑師和工人間的問題將不再阻礙建筑師所要表達(dá)的設(shè)計想法,；
3）不需要模板,，定制型強(qiáng)，可塑性好,，可打印出任何細(xì)節(jié)特點(diǎn)與復(fù)雜曲面,、管道等；
4）可以使消費(fèi)者根據(jù)自己的需求量身定制產(chǎn)品,；
5）無需人工干預(yù)意味著建筑行業(yè)傷亡事故風(fēng)險的大幅減少,，大量節(jié)省人員勞工，且用于建筑施工的安全措施費(fèi)降低,；
6）可以就地取材,，極大節(jié)省建造的運(yùn)輸成本,；
7）由于是整體結(jié)構(gòu)成形，建筑抗震性能大大增強(qiáng),；
8）可以適應(yīng)惡劣環(huán)境,，如在高原、雪山,、沙漠,、海洋、甚至地外星球等人為施工條件極其惡劣的環(huán)境下進(jìn)行施工建造,；
9）可以運(yùn)用于古文物保護(hù)中,，精準(zhǔn)恢復(fù)古建筑的殘損、遺失部分,；
10）可以降低建筑粉塵污染,，減少霧霾，保護(hù)環(huán)境實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保,。
11）回收建筑垃圾,、工業(yè)垃圾和尾礦，通過技術(shù)處理,、加工,、分離，使之成為3D打印建筑“油墨”的原材料,。

3.23D打印建筑技術(shù)在工程項目建設(shè)過程中的優(yōu)勢
1）前期開發(fā)階段,。目前大部分的工程建設(shè)項目在前期開發(fā)階段主要通過二位圖形想象三維空間，只能通過相關(guān)設(shè)計圖紙或者意向圖來表達(dá)工程項目的需求,。而利用3D打印建筑模型,，可以圍繞模型進(jìn)行討論，能夠清晰的看出工程建設(shè)項目的優(yōu)勢與不足,，集思廣益,，使工程項目的建設(shè)能夠盡可能的表達(dá)出各方的需求。
2）方案設(shè)計階段,。3D打印建筑模型能夠很好的展示出建筑物所在區(qū)域的環(huán)境背景,，尤其是在大型建筑群的建造過程中，不可避免的要考慮工程項目建成后對周圍建筑及環(huán)境造成的影響,。利用3D打印建筑模型可以清晰的看出建筑與環(huán)境的協(xié)調(diào)程度,，能否與環(huán)境或規(guī)劃相符合。
3）項目技術(shù)設(shè)計和營造階段,。項目的技術(shù)設(shè)計和細(xì)部處理,、風(fēng)格展現(xiàn)等方面都可以較現(xiàn)在更加深化細(xì)致。例如在裝修裝飾的內(nèi)飾材料、內(nèi)部空間的陳設(shè)和裝飾物品,，都可以通過模型得以展現(xiàn)，這將滿足人民對于房屋裝飾的個性化需求,。
4）項目實(shí)施階段,。工程建設(shè)實(shí)施階段只需要一臺電腦和打印機(jī)、圖紙就可以打印出建筑,。工程建設(shè)的數(shù)字化控制與施工,，可以大大提高施工效率，有效的縮短建設(shè)工期,。
5）項目的最終成果展示階段,。3D打印建筑模型，不僅是施工過程中的媒介,，更能夠作為一種成果展示工具,，展示出建筑的最終形態(tài)。通過3D打印建筑模型,，使建筑物變得清晰直觀,，能夠幫助客戶了解建筑的設(shè)計風(fēng)格，贏取客戶的信任,。

3.33D打印建筑發(fā)展的問題
3D打印建筑雖然擁有廣闊的應(yīng)用前景,，但目前還處于探索階段，在打印材料,、打印方式,、打印設(shè)備、設(shè)計方法,、施工工藝和標(biāo)準(zhǔn)體系等方面存在著一系列問題,。建筑3D打印目前發(fā)展的主要任務(wù)是解決上述問題。

1）打印材料
打印材料是3D打印建筑的核心技術(shù),，未來3D打印建筑的發(fā)展和突破是以打印材料的突破為基礎(chǔ)的,。目前采用的打印材料主要是以混凝土為基材，存在著抗拉強(qiáng)度低,、抗裂性能差,、韌性差、構(gòu)件易脆性破壞等問題,。因此,，尋找具有良好性能的打印材料是3D打印建筑當(dāng)前發(fā)展的關(guān)鍵。
2）打印方式
目前3D打印建筑采用的打印方式還局限于傳統(tǒng)的打印方式,�,！拜喞�工藝”和盈��(chuàng)采用的打印方式類似于FDM技術(shù)(熔積成型技術(shù))，通過“擠出”半凝固的打印材料來構(gòu)建物體，但是這種打印方式存在一個矛盾的問題,，一方面需要打印材料迅速形成強(qiáng)度,，在打印過程中上層材料的堆積會對下層材料形成壓力，如果打印材料在短時間內(nèi)沒有形成足夠的強(qiáng)度,，就會在壓力作用下產(chǎn)生變形,；另一方面，如果打印材料迅速“固化”,，則兩層打印材料之間的層間黏結(jié)性能就比較差,，形成構(gòu)件的一個薄弱環(huán)節(jié)�,！癉—shape”采用的打印方式類似于SLS技術(shù)(選擇性激光燒結(jié)技術(shù)),，首先鋪設(shè)層狀粉末(砂子)，再將粉末黏結(jié)構(gòu)成構(gòu)件,，但是這種打印方式的問題是打印速度較慢,，不適于像建筑之類的巨型構(gòu)件。因此,，3D打印建筑的打印方式還需要跳出已有思維方式的束縛,，還需進(jìn)一步探索更適于建筑建造特點(diǎn)的打印方式。
3）打印設(shè)備
目前3D打印建筑設(shè)備主要是采用軌道式,，這種方式的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定,，打印精度高，但不適于現(xiàn)場作用,。在3D打印建筑的發(fā)展初期,，主要是針對農(nóng)村地區(qū)住宅和別墅等多層住宅，需要現(xiàn)場作業(yè),，這就需要開發(fā)集運(yùn)輸,、攪拌、打印,、吊裝等多種功能于一體的打印設(shè)備,。打印設(shè)備能夠運(yùn)輸纖維材料和夕l-JJn劑到達(dá)打印場地，并攜帶部分現(xiàn)場不能打印或打印難度較大的預(yù)制構(gòu)件,。主要的打印材料如水泥,、砂子、水等由業(yè)主白備,，打印設(shè)備按特定的配合比對原材料進(jìn)行配制和攪拌,。然后打印設(shè)備按設(shè)計要求現(xiàn)場打印墻柱構(gòu)件，并按照設(shè)計要求調(diào)整打印墻體的寬度,，同時打印設(shè)備還可在打印過程中對墻體進(jìn)行抹平等處理,。打印完1層墻體后,，打印設(shè)備可對打印機(jī)械進(jìn)行調(diào)整，使其能夠吊裝預(yù)制的樓板,、梁等構(gòu)件,。吊裝完成后又可進(jìn)行下一層構(gòu)件的打印。
4）設(shè)計方法
目前建造3D打印在工程施工中的應(yīng)用還屬于探索階段,，沒有成熟的設(shè)計理論和方法可以借鑒,。由于3D打印建筑與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)在材料性能和建造工藝上有較大區(qū)別,，因此需要在充分了解材料性能和構(gòu)件性能的基礎(chǔ)上研究適于3D打印建筑的設(shè)計理論和設(shè)計方法,。
5）施工工藝
3D打印建筑技術(shù)作為一種全自動的施工方法,，與傳統(tǒng)的以人力為主的施工方法相比有諸多不同點(diǎn),，其在施工工藝方面需解決支撐、找平,、配筋結(jié)構(gòu)裝飾一體化等問題,。
6）標(biāo)準(zhǔn)體系
3D打印建筑的打印材料標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計規(guī)范,、施工規(guī)范,、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等一系列的標(biāo)準(zhǔn)體系的制定是3D打印建筑技術(shù)在發(fā)展過程中逐步形成的，應(yīng)在市場的主導(dǎo)作用下,，以企業(yè)為主體逐步發(fā)展完善,。標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),、國家標(biāo)準(zhǔn)的順序來逐步推進(jìn),。

3.43D打印建筑的發(fā)展前景
顯然，3D打印建筑的諸多優(yōu)點(diǎn)使其擁有廣闊的市場前景,，而且隨著3D打印技術(shù)不斷進(jìn)步,，3D打印建筑技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣泛。
1）GRC,，SRC等高檔建筑裝飾構(gòu)件
GRC,，SRC等高檔建筑裝飾構(gòu)件造型復(fù)雜，利用傳統(tǒng)的制造方式成本較高,。3D打印建筑技術(shù)由于不需要磨具,，可以直接打印異形復(fù)雜的裝飾構(gòu)件，可以充分發(fā)揮其技術(shù)特點(diǎn),，快速打印高檔的建筑裝飾構(gòu)件,，為3D打印建筑的推廣奠定基礎(chǔ)。
2）雕塑小品
公園和社區(qū)公共區(qū)域常擺放一些雕塑小品,，這些作品往往設(shè)計大膽,，外形新穎，充滿創(chuàng)意，但從建造的角度來說,，是非常困難的,，一方面建造成本高，另一方面在建造過程中會丟失部分信息,，無法做到與設(shè)計完全一樣,。3D打印建筑可以實(shí)現(xiàn)異形構(gòu)件的打印，既降低成本,，又可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計信息的無損傳遞,，使最終的產(chǎn)品做到與設(shè)計模型完全一致。
3）別墅
在3D打印建筑的發(fā)展初期,，材料成本和技術(shù)成本還相對較高的情況下,，別墅的3D打印是其發(fā)展的一個主要方向。別墅主要注重外形及品質(zhì),，較少考慮成本,，可充分利用3D打印建筑技術(shù)的特點(diǎn)，打印造型奇特和復(fù)雜的別墅,，并在別墅打印過程中不斷改進(jìn)技術(shù),、降低成本，推動其進(jìn)一步發(fā)展,。
4）農(nóng)村住宅在3D打印
建筑的發(fā)展中期,，農(nóng)村住宅的3D打印是其發(fā)展的一個主要方向。農(nóng)村住宅多為2—3層的多層住宅,，多為農(nóng)民自建住宅,，不僅成本高，而且設(shè)計施工不規(guī)范,，抵抗地震等災(zāi)害的能力較差,。如果3D打印建筑能夠做到降低成本，采用規(guī)范的設(shè)計和施工標(biāo)準(zhǔn),，則能在農(nóng)村地區(qū)得到迅速推廣,，這對我國的新型城鎮(zhèn)化建設(shè)和農(nóng)村地區(qū)發(fā)展會起到不可估量的作用。
5）經(jīng)濟(jì)適用房和廉租房
在3D打印建筑的發(fā)展中后期,，在技術(shù)相對成熟的情況下,，可以利用3D打印建筑速度快、性能優(yōu)越的特點(diǎn),，修建以經(jīng)濟(jì)適用房和廉租房為主的多層住宅,，短時間內(nèi)可以建造大量的低成本房屋，改善低收入人口的居住條件,。
6）高層住宅
在3D打印建筑發(fā)展后期,，在打印材料性能優(yōu)良,，能滿足高層建筑抗震、抗風(fēng)等要求的情況下,，可以開發(fā)適于高層建筑的打印設(shè)備,，實(shí)現(xiàn)對高層建筑的3D打印。這是3D打印建筑發(fā)展的長遠(yuǎn)目標(biāo),。
7）抗震救災(zāi)緊急用房
利用3D打印建筑的快速建造優(yōu)勢,，可在地震、臺風(fēng),、泥石流,、海嘯等自然災(zāi)害后快速進(jìn)行災(zāi)后安置工作，可在最短的時間內(nèi)將受災(zāi)群眾進(jìn)行妥善安置,。由于災(zāi)害重建速度跟不上,，汶川地震一年多以后，仍有災(zāi)民住在帳篷內(nèi),，嚴(yán)重影響其生活,。如果利用3D打印建筑技術(shù),，既可以利用災(zāi)后的大量建筑垃圾,，又可以在短時間內(nèi)修建起大量的災(zāi)后用房，提高災(zāi)民的生活品質(zhì),，快速進(jìn)行災(zāi)后重建工作,。
8）防風(fēng)固沙
草方格治沙是國際公認(rèn)的防風(fēng)固沙的效果非常好的辦法，但是人工鋪設(shè)速度慢,，成本高,，無法大面積推廣�,？梢岳���3D打印建筑技術(shù),，以草為打印材料，可實(shí)現(xiàn)草方格鋪設(shè)的自動化,，使其在沙漠環(huán)境中大規(guī)模應(yīng)用,。
9）太空基地
如果未來人類要在月球上建造棲息地，可以將3D打印建筑設(shè)備運(yùn)送到太空基地,，直接利用外星球表層的土壤作為主要的打印材料,，從地球運(yùn)送少量建筑材料即可。3D打印建筑技術(shù)可以更快速環(huán)保地在外太空批量建造適合人類居住的建筑,。

4結(jié)語
3D打印作為一種新型生產(chǎn)技術(shù),，在我國建筑業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展只是初露端倪，國外的發(fā)展相對更成熟,，根據(jù)國外研究實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn),，同時由于我國目前傳統(tǒng)建筑業(yè)存在環(huán)境污染嚴(yán)重,、人力成本高、高能耗等各種問題,，3D打印技術(shù)在我國建筑業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用具有可行性和廣闊前景,。

然而，在充分的完善之前,，每一項新技術(shù)在應(yīng)用中都會出現(xiàn)不可預(yù)料的問題,，3D打印建筑自然不會幸免。作為新興技術(shù),，3D打印建筑同樣面臨著各種各樣的考驗(yàn),。對于建筑企業(yè)來說，這既是挑戰(zhàn),，同時也是機(jī)遇,，相信在未來，3D打印技術(shù)會在建筑業(yè)上得到更長足的發(fā)展,。

作者： 邱國鋒
來源：中天施工技術(shù)

@邱國鋒 打印房子的最好方式是電阻焊3D打印，材料用鋼鐵粉末,。