一文看懂：3D打印才是未來建筑工程技術的顛覆者

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“智能生產制造”為主導的第四次工業(yè)革命。而以具有數字化、網絡化、個性化、定制化特點的3D打印技術為代表的新技術就成為“智能生產制造”中推動第四次工業(yè)革命的巨大源動力。

3D打印技術在高端制造、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，即快速成型技術的一種，運用該技術進行生產的特征是：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），設計出立體的數據模型，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，區(qū)別于二維平面打�。ň褪浅Ｒ�(guī)的只能在平面上打印內容的技術），其打印出的實際物體可以現場直接拿來使用。3D打印作為一種通俗化名稱，從成型方法方面來說其實質是增材制造技術。

在這里要闡明兩個概念：所謂增材制造技術，就是基于3D模型數據，采用與減材制造技術相反的逐層疊加的方式生產物品的過程，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。而減材制造技術：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打印技術及打印材料的概況
目前流行的快速成型技術有多種，而其中應用于3D打印機的技術分為3DP 技術、FDM熔融層積成型技術、SLA立體平版印刷技術、SLS選區(qū)激光燒結、LOM分層實體制造技術，應用較多的主要基于以上前四種技術，現對前四種技術進行簡要介紹。

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

FDM熔融層積成型技術：FDM熔融層積成型技術是 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：SLA立體平版印刷技術以光 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)激光燒結技術：SLS選區(qū)激光燒結技術是通 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，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打印技術的實現從準備到最后打印成型可以歸納為以下步驟流程：

構件三維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）———將二維文件的幾何數據輸入激光/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打印技術的概念最早出現在20世紀70～80年代一直到現在已經有近30年的發(fā)展，3D打印無論是在技術還是在材料上都日漸豐富和成熟，展現出產品制作上巨大的發(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，現做現用。傳統(tǒng)模型制作往往需要經過模具的設計、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，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品，避開了傳統(tǒng)制造工藝復雜的生產流程。

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、產品制作材質的多樣性。一個3D打印系統(tǒng)往往可以實現不同材料的打印或者多種材料的混合打印，使得產品性狀不再單一，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。制作過程中產生的垃圾更少。比如，很多鋼材和塑料的制作就是一個產生大量工業(yè)廢料和耗費過量材料的過程。以鋼材生產為例，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打印技術實現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百個噴嘴，可噴射出鎂質黏合物，在黏合物上噴撒砂子可逐漸鑄成石質固體，通過一層層黏 合物和砂子的結合，最終形成石質建筑物。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 質地類似于大理石，比混凝土的強度更高，并且不需要內置鐵管進行加固。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曲線、分割體、導管和中空柱等建筑結構。

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，運用該技術已經可以打印墻體，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，層間的粘結強度等物理性質，證實該混凝土可以用于混凝土打印技術。目前該團隊用混凝土打印技術制造出了混凝土構件。
根據現有的資料分析，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，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)調的群體智能方式也是現在人工智能的研究方向。

從上述內容可看出，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)建筑技術相比，3D打印建筑的優(yōu)勢主要體現在以下方面：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，內部結構還可以根據需求運用聲學、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 行的設計理念，設計打印出傳統(tǒng)建筑技術無法完成的復 雜形狀的建筑。

五 3D打印在國內建筑工程領域的應用
我國3D打印技術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打印設備生產和材料加工的能力。其中，激光直接加工金屬技術發(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鍵的技術支撐。而在建筑工程領域，3D打印技術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)內正式交付使用，作為當地動遷工程的辦公用房。這些“打印”出來的建筑墻體是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，按照電腦設計的圖紙和方案，經一臺大型的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，數幢使用3D打印技術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身西安，建造方在3個小時內完成了別墅的搭建。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量問題，據說此棟別墅可以抗9級地震，房屋結構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，國內的3D打印在建筑工程領域的應用已經走在了世界的前列。

六 3D打印在建筑工程領域的前景及所面臨的現實問題
3D打印技術在建筑工程領域仍然有很長的路要探索，其技術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打印技術進行產業(yè)化發(fā)展應用所存在的問題談談一些粗淺的看法：

1、3D打印技術跟建筑行業(yè)的技術融合、理論研究未能跟上。眾所周知，鋼結構體系和鋼筋砼結構體系已經過上百年的發(fā)展和演變，經過全世界各國無數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在理論上著手推進。同樣在學術領域的理論研究，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�？煽扇苄浴�熱學、光學等特征，這一系列材料的特性將成為達到3D打印產品所要求的機械性能，特征分辨率、加工精度和表面質量的瓶頸。

3、現有的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，這跟相關配套的材料產能有很大關系，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打印構件的材料性質、力學性能的研究：3D打印生產出的構件是按層疊加的，其材料的組成和性能都不同于傳統(tǒng)加工成熟的構件，因此還需要大量相應的材性試驗來獲取3D打印構件的各項性能指標、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打印的局部構件與主體結構的連接方式的研究：包括連接的方式、強度、延性，同時由構件拼裝起來的主體結構的整體抗震、抗風，是否滿足現行規(guī)范的要求，還有耐沖擊及撞擊性也是無相應試驗參數來檢驗。

6、3D打印的尺度的局限。對建筑工程的產品來說，其幾何形狀的大不是一般產品可比擬，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，建筑產品或構件體量越大，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實。

七 結語
建筑史在很大程度上是設計和建造技術史，技術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打印技術可以解決一切建筑建造技術問題，但3D打印技術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