“3D”似在引领建筑的发展取向

■ 陈凯峰

建设文化

“3D”似在引领建筑的发展取向

■ 陈凯峰

“文化决疑”丛谈之十四

近年来，采用“3D”技术为汽车打印零部件乃至模型车已不是什么新鲜事了，特别是当今社会一些喜欢个性化的人们更希望自己的车有不同的造型风格，于是，一些包括德国保时捷、日本大发等大品牌的生产商或供应商就为这些人打印出他们喜欢的或订制的个性化造型的车（参见图14-1 左），并由此而成为一种汽车时尚。而据近期媒体报道，2017年新年伊始，美国德克萨斯州沃思堡的医生同样利用“3D”技术，为给一个仅 18 个月大患有先天心脏疾病的小女孩 I．Chacon 做心脏手术，打印出一颗“3D”技术的心脏模型（参见图 14-1 右），从而成功地拯救了这个小女孩的生命；据说，此技术还可像人体心脏一样而作为替代品植入体内，真让人感到不可思议！

图14-1 “3D”现象示意例图（左：“汽车”示意；右：“心脏”模型）

以一般概念而论，运输工具的汽车尽管能动，但毕竟是一种机械性的无机物，以“3D”打印方式来制造尚可理解；而人是一类生命物种，其任何器官及组织都是有机质的，尤其是心脏，更是人体能动的核心器官，是人体生命中不可停息的、最为重要的动态器官，这也能以“3D”方式来打制？那么，人们不禁要问 ：“3D”技术是否什么物品都能打造印制？

人居的建筑显然与汽车相似，是有功能使用空间的，只不过汽车是活动的功能空间，建筑则是不动的功能空间，何况建筑的材料本身就不乏粘合性（如现代材料的“水泥”等）；只是建筑的体量相对要庞大，而且建筑功能配置复杂，所需的材料繁多，这或许才是“3D”建筑打制最主要的难度所在。当然，打印的普遍性优势在建筑上还是存在的，与打印汽车相同的，建筑的打制同样具有高效、精确等优点。那么，人们该怎么看待当代科技出现的这一宣称能“颠覆传统”的新技术应用于建筑上的建筑结构及施工营造？且这一新技术是否应该成为当今建筑（Construction）发展的取向？

首先，以体量而言，“3D打印技术”是怎么运用于庞大建筑体的？这种运用是否适合作为建筑发展的取向？

2013年，由荷兰阿姆斯特丹建筑大学 J·鲁基森纳斯建筑师主创，并联合意大利发明家 E·迪尼，采用E·迪尼设计的“D-Shape·3D 打印机”，设计打印出世界上第一座“3D 打印建筑”。因该建筑的造型结构是一座地板延伸成外墙、再延伸成天花板的墙板可弯曲或扭转的“环绕式”二层建筑，且形体流畅、柔顺，成为所在地的一个以艺术造型著称的观光风景，而被称为“风景屋（Landscape House）”（见图 14-2），这就是被认为是全球首座“3D 打印建筑”。其具体做法，是通过“3D 技术”打印出一些建筑模块，然后组装拼成“房屋”。

图14-2 世界上首座“3D 建筑”—荷兰“风景屋”

当然，远比汽车要庞大很多的建筑，如果要整体打制，显然是有难以逾越的障碍，甚至可能无法完成。按常理来说，既然建筑是打印机打制的，那么若要整体打制建筑，首先要有可整体打印的“打印机”。仅以体量而言，显然需要有活动范围是等体量或近体量的打制机器。若是建筑长、宽的大体量，尚可以水平移动来打印，就像仅是二层的“风景屋”，或可整体打制出来；若是建筑高度或超高的大体量，恐怕就要增加很大的难度，或要创构一个相应高度的塔架来竖直移动打印，或者打印机本身就是一架同样庞大的机器。而实际上，上述的这一全球首座“3D 建筑”，打印的却只是尺寸均为 6×9米的一个个模块或构部件，然后再将这些模快或构部件组装为一个整体。可见，“打印”只是建筑营造的一个基本环节，真正能成为一座“建筑”的，还是之后的拼合组装。严格地说，这一“风景屋”并非打印制造的，更像是一座“装配式”建筑。

至于“装配式”建筑，则早已是“工业化”建筑的常见做法。“工业革命”后，人类社会发展的一个主要标准就是“工业化”程度在社会中的比例份额。“工业化”程度越高，社会发展越先进。于是，工业技术的发展便成为国际社会发展最重要的目标，也包括建筑工业化技术的发展。像机器一样的“装配式”建筑，也是在这一社会发展背景中产生的。建筑的构筑就像是机器生产，是由一个个配件或零件组装构成的。1851年在英国伦敦举行的第一次世界博览会（时称“万国工业博览会”），该博览会的展览馆就是一座以钢铁为基本骨架镶嵌上玻璃墙顶面层的装配式建筑，整座建筑外观通体透明且内部宽敞明亮，仅建筑本身就是一件可“展览”的展品，故而被人们奉称为“水晶宫”（见图 14-3）。

图14-3 全球首座“装配式建筑”—伦敦“水晶宫”

由于装配式建筑的建造周期短、速度快、成本低，很快就受到人居建设的青睐，特别是在两次世界大战之后的人居重建中更是各国建设者们乐于选择的建筑构筑方式。这些年来，中国也在广泛采用装配式建筑，且主要是钢筋混凝土预制构部件的装配式建筑。就比如方盒子造型的现代式“大板结构”建筑，其建筑空间便主要是由墙板等构部件组成的，而这些墙板完全可以在工厂里作“工业化”的规格模具的批量生产（参见图 14-4 左），再将这些工业化生产出来的墙板运送到所需的建筑工地（参见图 14-1中），然后在一定的地基基础上按图吊装这些墙板而组成建筑整体（参见图 14-1 右）。

图14-4 “装配式建筑”生产装配示意例图（左：生产；中：运输；右：吊装）

而且，建筑结构的梁、柱等其它构部件也同样可以与墙板一样，作工厂里的“工业化”模具预制的生产，并一样可采用组装方式来完成结构整体。可见，装配式建筑是“工业化”的“现代建筑”一种常见结构方式及施工做法，并非“现代后”的当代所新创。

进入 21 世纪，以“电脑时代”为背景的世界首座 3D打印建筑的“风景屋”，其“D-Shape”打印出来的只是构件式的模块，对建筑构成的总体来说，实际上还是装配式建筑。如果说，确实有真正的“3D 建筑”，那就是 2016年 5月在阿联酋迪拜落成的“全球首座 3D 打印办公楼”（见图14-5）。该“办公楼”实非“重屋”之“楼”而只有一层，建筑面积 250 平方米，是使用一台 20×120×40 英尺（即约6×36×12 米）的“3D 打印机”打制出来的，工期 17 天完成，成本约 14 万美元。若仅以体量来看，其“3D 打印机”的形体比打制成品的“办公楼”的空间占有量还大。据称，该办公楼是由一家中国的建筑科技公司承建打制的，并已通过了英国与中国的可靠性检测，真可谓是“国际”成果。

图14-5 迪拜“全球首座 3D 打印办公楼”

显然，非装配性的一气呵成的整体打印建筑，以迄今已有的国际“3D”技术看来，所依赖的打印机似乎大了些。若也依此方式来一次性成形地打印诸如此“3D办公楼”所处背景中的其它“高楼”（见图 14-5），那么又会是一架什么体量的“3D打印机”？这似乎有点让人不敢想象！

因此，当今“3D打印技术”在建筑上的运用方式方法，显然还有待斟酌和提高。否则，体量正在日益膨胀的当代建筑可能无法给其运用施展机会，或者严格意义的“3D建筑”只可能是一些体量较小的“屋”或“重屋”之“楼”。

其次，以材料而论，“3D打印技术”怎么才能满足复杂的建筑及设备的结构体？这种满足的方式可否作为建筑发展的取向？

在汽车打印上，主要是采用塑料或金属材料，这两种材料原本就是汽车的主要用材；而建筑打印，塑料或金属同样可用，只是传统用材主要是土、木、砖、石及近现代以来的水泥、钢铁，这些材料是否可用为“3D技术”的打印材料？若可用，怎么用？

现代以来大多数建筑的形成，都是需要经过图纸设计、模型制作及而后的施工成形等诸多环节的一个完整过程。其中的图纸设计，早已由 CAD（Computer Aided Design）图纸替代了原来的手绘图纸，电脑时代的计算机技术也由此率先进入了建筑形成的图纸环节。而与CAD图纸配套的模型制作，“3D”技术似乎更具优势而且顺理成章，可在原有的CAD图纸资料的基础上，作整体模型的打印，其图纸与模型两环节的工作关系也更协调、形体表现也更吻合，使不同环节的建筑过程更具接续的一体性；而且，建筑模型打印本身也较不受用材的限制，体量再大、用材再复杂，都可以采用一定的胶凝或粘结材料（如石膏、树脂或塑料等），整体打印出精确的建筑模型（参见图 14-6）。

图14-6 不同材料“3D 建筑”模型示意例图（左：石膏模型；右：树脂模型）

然而，建筑是功能使用空间，其用材是需要有足够的力学强度的，以保证这一长年使用的功能空间具有无可置疑的安全性；而一般具有胶粘性质的材料本身，并不具备建筑所该有的材料强度，诸如石膏、树脂等单纯的胶凝粘结材料显然是无法作为“3D 建筑”的主要材料使用的。那么，“3D 建筑”应有的使用材料该是什么？ 2013年荷兰首创的 3D“风景屋”是采用人工砂岩和无机粘结剂材料打制的，砂岩是基本骨料，有很好的抗压强度，由粘结剂合成，但抗拉能力却非常有限。2016年迪拜“首座 3D 办公楼”是使用特制水泥打印的，水泥有抗压强度、又是胶凝材料，同样不具抗拉能力。如此看来，“3D 建筑打印机”所能使用的胶凝材料，本身实际上没有足够的抗拉能力，而建筑是有空间需求的，其用材所必备的抗拉强度，无论如何都是不可缺少的，而建筑的营构又将如何解决这一问题？

实际上，荷兰首创 3D“风景屋”时的发明家 E·迪尼，当时就建议风景屋里面使用钢纤维混凝土来填充。显然，E·迪尼很清楚可作为打印材料强度的局限性，特别是抗拉强度的欠缺，也清楚钢材料抗拉能力的卓越特性。那么，以传统结构的钢材料来担当建筑主体的力学主角，显然还是“3D”建筑不可或缺的基本条件。钢材料之所以能担当建筑结构的主角，主要在于其抗拉性，当然，具有抗拉性质的材料并不仅有钢材，还有诸多其他材料，如塑料纤维、玻璃纤维等，甚至天然的植物纤维也有抗拉能力。而钢铁、塑料、玻璃或天然植物等，或许也都可以研为粉末而制成打印材料，可用相应的“3D”打印机来打制建筑（参见图14-7）。但由这些打印粉末经“3D”打印机喷射凝结所成建筑的材料，还有无原材料一样的抗拉性能？如最常用的钢材，其粉末凝结所成还能一样地作大跨度、大体量的当代建筑用材吗？恐怕不容乐观！

图14-7 不同材料打制的“3D 建筑”示意例图（左：钢筋混凝土；右：生物塑料）

广义而言，任何材料都有可能成为建筑用材。人类文化或文明早期，人居所处的天然易得材料就几乎都曾被用于构筑居屋上，如草屋、木屋、土屋、石屋、竹屋、树屋等；人类文化得到蓬勃发展后的近现代以来，不仅建筑材料类型随材料科学的发展而异常丰富繁多，一些日常生活废弃物品、甚至是非常不起眼的废弃物也可能被用为建筑材料，如似乎并不宜用的废弃酒瓶子，居然也被人废物利用而垒砌为“酒瓶屋”，诸如此类的有很多。可见，可用为建筑的材料并不缺乏，关键在于怎么解决承载和跨度的问题。只要有强度，就能抗压承载，则任何有强度的材料均可用，如上述荷兰“风景屋”所使用的“砂岩”材料，便远比一般混凝土的强度高；而要解决跨度的问题，就需要具备抗拉能力，并非所有的材料都能用上。现代看来，最广泛被用于抗拉的钢材，也是有起抗拉作用的条件的。不同条件生产的钢材就有不同的抗拉能力，如钢筋混凝土建筑最常用的钢筋有Ⅰ级钢、Ⅱ级钢等，其抗拉强度是不同的，这也缘于其化学成份、生产工艺等的不同。若将“钢”研成粉末而制为“3D”打印材料，打印凝成后是否还有相同的抗拉强度？

故而，“3D”打印材料在建筑上所应有的强度问题，也需要更深入地研究和提高。否则，其可能成为建筑的应用范围就非常有限。

图14-8 中外传统风格“3D 建筑”例图（左 ：荷兰“运河屋”；右 ：中国“仿古院”）

最后，人们大致可得到这样一个归结性的认识，如果体量和材料都不成问题的话，那么“3D打印技术”确实可能成为未来建筑的发展取向。

当 2016年中国公司为迪拜打制出“全球首座 3D 打印办公楼”（见图 14-5）时，在其落成典礼上，阿联酋内阁事务部 M·杰尔贾维部长表示 ：“这是全球首个 3D 打印的办公楼。”“我们相信这只是一个开始，世界也将因此而改变。”“迪拜的目标是 ：到 2030年将用‘3D 打印技术’建造国内 25% 的建筑物。”显然，该国是看好“3D 建筑”发展远景的，并肯定地给出了十余年占有 1/4 人居份额的预计发展指标。

与此同时，业内人士也普遍认为，尽管“3D打印建筑”这几年才刚起步，也存在着诸多不足，但凭借着“3D打印建筑”的人力省、成本低、速度快等不争的优势，以及其建筑材料利用确实可控的巨大优势，未来势必掀起工程建筑领域的革命，其潜在的发展前景已获得了业内的认可。

况且，运用先进的电脑程控技术，与已有的CAD等设计技术结合，“3D”打制就不只是规整的“现代建筑”，甚至已有满足“现代后”人居市场需求的传统构件或“符号”的“3D”打印的“后现代建筑”乃至仿古建筑在世界各地也会陆续出现。如在“风景屋”稍后的荷兰阿姆斯特丹，又有了荷兰运河沿岸的类似传统人居风格的“3D 建筑”—“运河屋”（Canal House）的打制计划，据称预计在 2017年完成这一传统样式的沿岸“运河屋”的打制工程（见图 14-8 左）。又如相较结构要复杂甚多的中国传统建筑，若撇开传统“木构架”的结构，而只是结构样式的仿构，则“3D”打印也一样不成问题，于是，非常逼真的“3D中式仿古建筑”便在近期产生了（见图 14-8 右）。

可见，仅数年的“3D建筑”发展史，人们所给予的期望值是很高的，人们也相信，随着人类科技的逐渐发展及“3D技术”的日臻成熟，“体量”和“材料”等可能都不成问题。那么，这真的会成为人居建设的发展取向及趋势甚至完全取代人居建筑结构及营造的传统方式吗？

实际上，与所有的“电脑”技术一样，其发展都不只是技术的问题，既不应该也不可能是没有局限性或没有制约因素的存在。“3D 打印”的成熟，发展的只是技术的问题 ；对建筑来说，只是一种结构方式和营造技术。而任何结构与营造的方式及技术，都是人类功能空间创造的组成部分，也是地球环境中人居社会的构成要素，其组成或构成是否与建筑创造及人居社会乃至文化整体相协调、相吻合，需要从另一种角度检验和认识。

人类的建筑创造，需要的是功能空间，其“功能”是人居的生存生活需求，人类文化创造的根本目的也在于此。如果建筑创造的“3D技术”在克服了“体量”和“材料”等方面的技术问题以后，所创造出来的空间可能并不一定完全满足或适宜人居的需求，那么这样的建筑创造实际上是不完善的。也就是说，“3D 建筑”在给出空间的同时，也可能给出了问题。就比如，“3D 技术”以喷打液态材料即成固态为技术特征，其中必有的胶粘剂大多有不利于人居的成份，并在液态瞬间即成固态的物理化学过程中，有非自然空气的主要成份（氮气 78% 或氧气 21%）之气析出，则瞬间出现的环境空气成份及比例的变化，显然是不利于自然生态环境的，而且打制成建筑后也同样有不利于人居的化学成份存在之嫌 ；若“3D 建筑”还成为一种人居建设的发展主流而大量出现，则所成建筑的意义显然就有问题了—人居及自然是否允许？

因此，“体量”和“材料”等“3D”打制技术问题是可能得到解决的，其功利意义也可能使之成为引领建筑的发展取向，但对人居及自然的利弊如何，就恐未尽然了。

作者单位：泉州市建筑文化研究院（筹）