3D打印建筑的应用现状及发展前景

2019-10-08重庆大学管理科学与房地产学院薛雨桐

城市建筑空间 2019年8期

文/重庆大学管理科学与房地产学院张静薛雨桐

0 引言

3D打印原理是利用软件建立三维模型，按照某一坐标轴进行逐层分解，再通过特定设备，将材料逐层制作成与三维模型一致的实体构件，该技术也被称为增材制造（Material additive manufacturing）[1]。3D打印技术应用于建筑业可打破传统设计在建筑形状上的禁锢，打印技术更立体，形状更具多样性，其众多优势吸引了国内外聚焦[2]。

1 3D打印技术在建筑业的应用背景

传统建筑技术与3D打印技术相比，人工投入量大、建设周期长、环境污染重、资源浪费严重、易发生安全事故、产生较多建筑垃圾。3D打印技术可很好地解决这些问题，且当前该技术已有能力“打印”整栋房屋[3]。

2 3D打印建筑应用现状

2.1 国外

荷兰“盖房者”采用3D技术呈现出世界上第1栋打印建筑，该建筑主体部分所用材料是混凝土，其他部分材料是可再生塑料，在符合建筑设计前提下，其绿色环保及美观度得到一致好评（见图1）。

图1 世界上第1栋打印建筑

2012年美国南加州大学海域美国航天局合作研发出“轮廓工艺”3D打印机，该机器可进行x、y、z轴的打印工作，一层层将整栋房子打印出来[4]。目前“轮廓工艺”已可使用水泥混凝土作为打印材料(见图2）。

英国奥雅纳（ARUP）3D打印技术主要用于打印钢结构，3D打印钢结构可减少75%的CO2排放，使材料消耗减少40%[5]（见图3）。

图2 “轮廓工艺”打印机

图3 ARUP打印的复杂钢结构

2.2 国内

国内3D打印技术水平较高的企业是中国盈创建筑科技（上海）有限公司，该公司打印出全球首栋精装1100m2的3层楼别墅用时7d（见图4a）；全球首座6层15m高的住宅楼10d内安装完成（见图4b）；2015年沙特阿拉伯邀请中国盈创5年内于当地建造150万栋房屋；2016年盈创为迪拜政府打印出首批3D政府办公楼（见图4c），此外还打印出供排水系统；2018年3月9日《福布斯》双周刊网站刊登文章指出中国在3D打印界的世界领先地位。上海枫泾作为首个3D打印建筑试验区已成功打印首个公交站台并投放使用（见图4d）。

图4 国内外3D打印建筑应用

2.3 3D打印技术在建筑领域的研究现状

目前3D打印建筑应用较成熟的领域包括2方面。

1）建筑设计提前做出完整的建筑模型，也可用于城市规划模型中。于雷[6]指出3D打印机可以通过1：1实体打印实现其在设计阶段的辅助功能。

2）工程施工目前3D打印在施工方面主要用于打印供排水系统、精装修及主体结构，主要应用技术包括“盖房者”“轮廓工艺”“奥雅纳”及“中国盈创3D打印”技术。

3 3D打印建筑应用分析

1）节约资源 3D打印技术是把材料热熔后重新组合，避免材料浪费，减少中间物耗。在人力资源上，3D打印技术仅需几个工人操作计算机即可，大大减少人力资源投入[7]。

2）实时打印 3D打印与传统建筑模式相比有更大的适用性，即实时打印，其不需先建设房屋再售卖，而是售卖后直接打印，顾客在短时间内就可见到实体建筑，不存在库存过多问题。

3）设计灵活 3D打印技术利用计算机成图，设计只需计算机作画即可打印，每人都能成为设计师，还可完全还原设计师的奇思妙想。

4）参与方信息不对称 3D打印由程序启动，信息掌握在3D打印方手中，对业主信息管理造成阻碍，也因信息交流不及时造成返工问题，从而延误建设工期。业主方因缺乏相关信息导致对3D打印方的监督力度被削减，产品质量取决于打印方的自律程度。

4 3D打印技术应用优劣势

4.1 优势

1）降低成本 3D技术被引入建筑市场后降低了人工成本与机械设备采购成本，1台3D打印机的价格为10万～15万美元[8]，可多次循环使用。

2）缩短工期上文提到许多精装房只需7d完成，直接拎包入住。目前全球3D打印建造速度较快，比传统建筑技术快10倍以上。

3）安全性能高 3D打印技术施工时基本不需工人现场施工，因此施工过程中的坍塌、高空坠物和坠落事件皆不存在，使工作环境更安全。

4）保护环境 3D打印使用的材料多为可再生，如塑料和建筑废渣的二次利用，有利于环境保护。

4.2 劣势

1）技术不成熟目前应用的3D打印材料种类较少，有待提高，对材料快速凝结及适合高层、高强度的要求增加了新材料开发难度。

2）人才短缺 3D打印是新技术，接触该技术的人较少，大都处于观望态度。人才是行业发展的永恒动力，人才缺乏限制了行业发展速度。

3）参与方信息不对称 3D打印信息掌握在打印方手中，对业主信息管理造成阻碍。

5 发展前景

5.1 3D打印建筑适用建筑类型

1）无地下室的低层别墅目前，3D打印建筑局限于中低层，无法满足中高层建筑要求；3D打印技术仅适用于地面工程建设；对于低层别墅而言，业主可加入符合自身风格的特色元素，不仅增加房屋的美观度，而且可体现拥有者的个性，真正实现房屋定制。

2）公共建筑 3D打印建筑构件可在工厂打印建造，再进行现场组装[9]，因此3D打印建筑尤其适合公交站台、公共厕所、休息长椅等建筑，其材料性能既能满足要求，又能随着规划的改变进行拆迁重新组装二次利用。不仅节约时间，而且可减少财政支出。

3）应急性建筑 3D打印技术可快速打印新房屋且自动安装各种设施，大大改善救助人员的医疗环境；可快速打印出学校、公厕等，以最快速度使灾区人民实现正常生活；抢险救灾后，还可将建筑拆卸到其他地方，重新组装二次利用[10]。

5.2 3D打印建筑应用前景

1）室内装修 3D打印技术比一般工艺更美观、环保，可根据客户需求对装饰品进行定制，不仅提高产品的美观程度，而且更契合当下社会追求独特个性的趋势。3D打印进入装修市场将为室内精装带来新改变。

2）高层建筑目前3D打印还未进入高层建筑领域，因缺乏完善的验收规范及无法改善材料强度等因素制约其发展。若未来能将传统建造方式与3D打印方式相结合，不仅为3D打印建筑更好进入建筑市场奠定基础，而且大大加快建设速度。随着技术水平的提高，3D打印或将在未来研发出钢筋材料或其他高强度材料，以促进其在建筑行业的发展。