新技术掀起行业革新浪潮

文｜本刊编辑部

2016年12月，美国3D打印公司ApisCor与俄罗斯房地产开发商PIK在俄罗斯斯图皮诺成功打印了世界上第一个可居住的房屋。与传统建筑技术相比，3D打印房屋的生产过程可节省70%的造价，而且可以在一天之内完成全部的承重墙、隔墙以及建筑围护结构，效率惊人。

3D打印技术是一种快速成型技术，它是以三维数字模型文件为基础，通过逐层打印或粉末熔铸的方式来构造物体的技术，它综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。实际上，3D打印技术概念由来已久，只是受限于科技发展水平一直未能研发成功。20世纪80年代，在CAD技术、数控机床、激光技术、材料科学充分发展的基础上，美国人Chuck Hull发明立体光刻工艺并获得专利，这被认作3D打印技术的开端。近年来，3D打印技术获得了飞速的发展，英国《经济学人》杂志在《第三次工业革命》一书中，将3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一，更加引发了人们对3D打印技术的关注。

如今，3D打印技术已应用到很多领域，工业设计、航空航天、军工、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、汽车等领域都有3D打印的身影。就在不久前，波音公司宣布公司聘请3D金属打印公司Norsk Titanium AS，负责为波音787 Dreamliner打印第一个钛合金部件，这一举措将使每架波音787的制造成本节省200-300万美元。

根据前瞻产业研究院发布的《中国3D打印产业市场需求和分析报告》数据显示，2014年我国3D打印市场规模约47.4亿元，而2015年市场规模为78亿元。预计2017年我国3D打印产业规模将达到173亿元，到2021年产业规模将达到691亿元。

新技术颠覆建筑行业

随着3D打印技术的不断完善，越来越多的物品都可以由3D打印完成，与此同时，这项技术也在彻底颠覆传统的建筑行业。3D打印技术在建筑工程领域的应用研究，美国、英国等国家研究人员已开展多年，并研发出了多种技术形式。

2014年4月，10幢3D打印建筑在上海张江高新青浦区正式交付使用，这10幢小屋的建筑过程用时仅为24小时，随着这一新闻的广泛传播，国内对于3D打印技术在建筑领域的应用逐渐被人熟知。2015年1月18日，盈创建筑科技（上海）有限公司召开全球发布会，宣布成功应用3D打印技术打印出一栋多层实验楼和一栋1100平方米的别墅，其中多层实验楼高15.3米，是全球最高的3D打印建筑。

3D打印技术在建筑工程领域的应用不仅仅局限于整体的3D打印建筑，在复杂构件制作、微缩模型（方案展示模型、风动模拟模型、沙盘等）制作等方面均有应用。BIM技术与3D打印的集成应用，主要是工程项目在设计阶段利用3D打印机将建筑信息模型微缩打印出来，供方案展示、审查和进行模拟分析；在建造阶段采用3D打印机直接将建筑信息模型打印成实体构件和整体建筑，部分替代传统施工工艺来建造建筑。如果没有建筑信息模型，3D打印首先需要用三维建模软件按照设计图纸建立打印任务三维模型；而BIM技术的出现，使建筑从规划设计到施工运维全程在三维的状态下进行，期间可以将任意阶段的三维模型导出后发送给3D打印机，打印出建筑部件或建筑整体模型。在BIM技术与3D打印的集成应用过程中，3D打印工作省掉了额外建模环节，而BIM工作任务仅有小量增加，综合来看，显著提升了生产效率。从设计BIM模型直接导出打印模型，也避免了照图建模过程中产生的各类问题，保证了打印模型的准确性。

现阶段，以3D打印方式建造建筑主要有全尺寸打印、分段打印组装和群组机器人集体打印装配三种主要模式。全尺寸打印即采用一台大型的3D打印机，在工厂或建筑拟建地直接打印出建筑物主要部件。这种打印方式受打印设备的限制比较明显，拟打印建筑越大，所需要的3D打印机就越大；而随着3D打印机尺寸的增大，打印精度和打印速度就会变差。所以现阶段的全尺寸打印主要是解决3D打印房屋的一些基本问题，如材料、控制、精度等。分段打印组装即建筑的模块化，在工厂里把每块打印好，最后在现场进行组装。这种方法的优点是解决了建筑尺寸的限制，缺点是现场的组装工作是劳动密集型工作，增加了成本。群组机器人集体打印则是一群3D打印机像蜜蜂一样共同执行任务，打印机的尺寸跟建筑尺寸无关，同时打印机的智能要求也可以大大降低，这种自组织、自协调的群体智能方式也是现在人工智能的研究方向。

上述三种3D打印方式适用于不同的建筑类型，上海市的10栋临时房屋采用的是全尺寸打印方式，苏州工业园区的5层实验楼则采用的是分段打印组装方式，目前国内还没有群组机器人集体打印建筑的应用案例。分段打印组装方式对于3D打印机、打印材料和打印程序的要求相对较低，易于实现，所以这种方式应用最为广泛。

全面展示 准确传递

BIM技术的出现，被认为是建筑业的又一次革命，BIM贯穿建筑从设计、施工、运维的全过程，打通了各阶段的信息传递，尤其在施工阶段可以帮助施工人员提高深化设计、施工策划和施工管理等方面的工作效率。3D打印技术同样带来了制造业的变革，被视为第三次工业革命的标志。以前产品设计要以生产工艺能力为前提，而3D打印技术的出现，将会颠覆这一生产思路，企业在生产部件时不再考虑生产工艺问题，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印技术来实现。

10幢3D打印建筑在上海张江高新青浦区正式交付使用

BIM技术与3D打印技术两种革命性技术的结合，为方案到实物的过程开辟了一条“高速公路”，同时也为复杂构件的加工制作提供了更高效的方案。通过建筑信息模型和3D打印技术的集成应用，实现3D实体模型代替3D数字化模型展示建筑构件细节，更具有真实感并能达到准确传递信息的目的。能够充分利用3D实体模型的形象、立体和真实感对设计方案进行充分的表达和传递，为业主或各参与方带来计算机显示图像所不能实现的触感，并使参建各方对设计意图产生更深刻的理解。

2016年8月23日，住房和城乡建设部发布《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》，提出积极开展建筑业3D打印设备及材料的研究，探索3D打印技术运用于建筑部品、构件生产，开展示范应用，这意味着国家对于3D打印技术的认可和鼓励。

基于建筑信息模型的整体建筑3D打印，应用BIM进行建筑设计，设计模型处理后直接交付专用的3D打印机进行整体打印，建筑物可以很快的被打印出来，建造一栋简单建筑的时间大大缩短。通过3D打印技术建造房屋，只需要投入很少的人力；随着我国人力成本的逐渐升高，3D打印可有效降低人力消耗方面的成本。3D打印的作业过程中，基本不会产生扬尘和建筑垃圾，是一种绿色和环保工艺，在节能降耗和环境保护方面较传统工艺有非常明显的优势。

在复杂构件制作上，传统的工艺制作受人为因素影响较大，精度和美观度方面有所偏差不可避免。3D打印机由电脑操控，只要有数据支撑，便可将任何复杂的异型构件快速、精确地制造出来。利用BIM技术和3D打印相结合来进行复杂构件制作，不再需要复杂的工艺、措施和模具，只需将构件的建筑信息模型发送到3D打印机，短时间内就可将复杂构件打印出来，少量的复杂构件用3D打印的方式，大大缩短了加工周期，降低了成本，同时能够保证精准度，从而保障了复杂异型构件几何尺寸的准确性和实体质量。

利用建筑信息模型，将BIM模型与施工方案或施工部署进行集成，然后利用三维模型进行展示交流、交底，是目前建造过程中非常实用的一种应用手段。结合3D打印技术打印实物模型可以将应用效果发挥的更佳，用3D打印制作的施工方案微缩模型，可以辅助施工人员更为直观的理解方案内容；而且它携带、展示都不需要依赖计算机或其它硬件设备，同时实体模型可以360度全视角观察，克服了打印3D图片和三维视频角度单一的缺点。

作为两种变革性的新技术，可以预见，在今后很长一段时间内BIM技术和3D打印技术仍然会被人们广泛关注，眼下，已经有多个国家纷纷加快研究、应用3D打印技术的步伐。随着技术的发展，现阶段BIM技术与3D打印技术集成所存在的许多技术问题将会得到解决，3D打印机和打印材料的价格也会趋于合理；应用成本的下降也会扩大3D打印技术的应用范围和数量，进而促进3D打印技术的进步。随着3D打印技术的成熟和进步，建筑行业的自动化水平将得到大幅提高，3D打印技术也将引起建筑产业变革，引领整个建筑业产生巨变。