3D打印会革新建筑业

科学是到处为家的--不过在任何不播种的地方，是决不会得到丰收的。

在前不久的2017第四届上海科博会上，一款巨型的建筑3D打印机赚足了人们的眼球。一台巨型的3D打印机，通过巨大的喷头不停的挤出建筑材料(普通水泥)，同时喷头不停的运动，一层层的堆叠水泥材料，最后一座微缩城堡就这样建成了。这个微缩的城堡正是本次科博会的举办地，上海展览中心的模型。

在建筑行业，3D打印技术顺应产业革命的发展，将使大规模的个性化生产成为可能，逐步实现快速建造和产业化生产，并会创造出大量的传统工艺无法生产的新型材料，这或许会带来全球制造业经济的重大变革。

3D打印建筑打印机和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的。根据电脑上设计的完整的三维模型数据，通过一个运行程序将材料分层打印输出并逐层叠加，最终将计算机上的三维模型变为建筑实物。

我们认为，与传统施工工艺相比，3D建筑打印技术的优势主要有：

1. 施工速度至少要快10倍，且建筑类型、复杂性等因素不会增加建设成本；

2. 由于全程由电脑程序操控，直接基于CAD设计等的施工建造只产生5～10mm的误差，该技术允许的精度和设计自由度大大提高，建筑师和工人间的问题将不再阻碍建筑师所要表达的设计想法；

3. 不需要模板，定制型强，可塑性好，可打印出任何细节特点与复杂曲面、管道等；

4. 可以使消费者根据自己的需求量身定制产品；

5. 无需人工干预意味着建筑行业伤亡事故风险的大幅减少，大量节省人员劳工，且用于建筑施工的安全措施费降低；

6. 可以就地取材，极大节省建造的运输成本；

7. 由于是整体结构成形，建筑抗震性能大大增强；

8. 可以适应恶劣环境，如在高原、雪山、沙漠、海洋、甚至地外星球等人为施工条件极其恶劣的环境下进行施工建造；

9. 可以运用于古文物保护中，精准恢复古建筑的残损、遗失部分；

10. 可以降低建筑粉尘污染，减少雾霾，保护环境实现绿色环保。

工艺技术线路

机械化建筑有两种主要方式: 一是采用传统的建筑材料，通过机器手对砖块进行砌筑。二是采用机器手进行3D打印。一个4轴的机器手就可以进行构件的自由曲面打印，对于大型构件可以将机器手安装在塔吊上进行施工。

机器手堆砌（左）与机器手打印构件（右）

另外的方式, 目前较为流行的是坐标导轨形式的打印机。相对机器手，需要较大的占地面积。

3D打印建筑工艺盘点

过去三十年3D打印技术的快速发展，为3D打印建筑技术提供了良好的研究基础。但国内外目前研究3D建筑打印的专家学者并不多，打印效率和可用建筑材料是制约3D打印技术发展的瓶颈。

以下是目前相对前沿的3D建筑打印技术的盘点。

1. D-Shape技术

2010年，意大利籍Enrico Dini教授发明了世界上第一台以细骨料和胶凝料为打印材料的数字打印机，名为D-Shape，可以用建筑材料打印出高4m的建筑物。这种技术名称为粘接沉淀成型(SDM，Sticky deposition modeling)，Enrico Dini称之为D-Shape技术。

这种打印机的底部有数百个喷嘴，可喷射出镁质黏合物，在黏合物上喷撒沙子可逐渐铸成人造砂岩，通过一层层的黏合物和沙子结合，将沙子粘成像岩石一样坚固的固体，并形成特定的形状，最终形成石质建筑物。

放射虫馆模型和打印结果

Enrico Dini也是成功制造3D打印机用以打印房屋的第一人。他说：“我追求的结果归根结底就是让人们用可以负担得起的方式建造房子。”建造完毕后建筑体的质地类似于大理石，比混凝土的强度更高，并且不需要内置钢筋进行加固。Enrico Dini已经在和建筑大师诺曼・福斯特、阿尔塔空间公司等进行讨论，希望能设计出一种可以 使用月球土壤的打印机，届时在月球上就可以使用这种打印机快速地建造出人类的月球基地。

D-Shape打印机已经参与了多项3D打印房屋项目，其中包括正在争夺“世界上第一幢3D打印的住房”名头的“Landscape House”模拟莫比乌斯环。

Landscape House

2. Contour Crafting轮廓成型工艺

轮廓成型工艺（CC，Contour Crafting）由美国南加州大学教授博士Dr. Behrokh Khoshnevis发明，该技术是由美国航天局（NASA）出资与美国南加州大学合作研发，24小时约可打印200平米楼房。Behrokh Khoshnevis也被称为“世界3D建筑打印之父”。

Behrokh Khoshnevis

轮廓成型工艺是一种基于混凝土的自动化施工方法。2004年，该项技术就已经能够“打印”出5英尺（约合1.52m）长、3英尺（约合0.91m）高、6英寸（0.15m）厚的建筑部件。2012年，BehrokhKhoshnevis教授表示轮廓工艺打印出来的墙是空心的，其间布置桁架状构造，这样大大减轻了建筑本身的重量，而且还可让空隙处填充保温材料，让其成为整体的自保温墙体。同时预留“梁”与“柱”浇筑的空间，并处理各种基础设施管道和电气布置。

3. 尼龙纤维激光烧结工艺

在英国，Softkill Design正着手使用3D打印技术建造大批量民用住房。这些房屋以骨骼架构为原型，以纤维尼龙为材料，制作所有的部件需要三个星期，组装起来则只需要一天。2012年，伦敦设计工作室Softkill Design 的设计师们运用3D打印机打印出了一个1：33比例的房子模型 ProtoHouse，外形似如洞穴。

ProtoHouse1.0共分30节段打印，各房屋组件是场外制造的，在3D打印机实验室使用激光烧结生物塑料，并添加金属等较坚固的物质制成。打印好之后运送至建筑基地拼装，用尼龙搭扣或者像钮扣一样的扣合件进行固定。建造3D打印房屋的成本并未公布，但雷特辛表示，伴随着3D打印行业的快速发展，将逐步降低制造成本，这意味着不久的将来，建造经济型3D打印房屋将成为现实。

前不久，欧洲宇航局公布了一套月球基地3D打印建筑方案，采用D-shape工艺打印。该方案的核心思路是就地取材，将月球表面土壤改性成可以打印的材料。人们发现类似月球土壤(Lunar regolith)，在地球上也有相似的土壤，只是月壤中没有有机物。不远的将来，人们可能会以同样的方式在地球上建筑这样真正的绿色建筑。

月球基地3D打印建筑效果图

麦肯锡：3D打印、5D建模、IoT、机器人组装会革新建筑业

最近，管理咨询公司麦肯锡发布了一份报告，指出3D打印是“建造的数字化未来”的一个关键部分。报告还介绍了5D建筑信息建模、物联网等技术。“5D建筑信息建模”是一种更先进的3D建模形式，将进度和预算因素纳入了CAD项目。

同时麦肯锡承认3D打印还不是一个主流的建造方式，但有可能成为未来建筑行业的一个重要部分。报告指出3D打印仍处于开发的初期阶段，尚无法大规模使用，达不到大型项目所要求的速度。

D-Shape打印技术和Contour Crafting打印技术为我们提供了一个很好的参考方法，在这个基础上，若将3D打印原理和建筑结构及材料的关键技术问题结合起来，发展新的低成本的3D打印方法体系，不但对于解决全球住房危机和节约能源、环保等问题从而促进社会和谐发展显得迫切而意义深远，也会对未来建筑业的发展产生重大的影响。我们期待在未来会出现更多的3D打印建筑和建筑项目。

科学总是革命的、非正统的；这是它的本性；只有科学在睡大觉时才不如此。