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打印＋無人機(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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)目的優(yōu)勢與不足，集思廣益，使工程項(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)目技術(shù)設(shè)計和營造階段。項(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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。“輪廓工藝”和盈創(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�用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(xiàng)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。