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建筑工程學院提出，該技術與輪廓工藝相似，使用噴嘴擠壓出混凝土通過層疊法建造構件。該團隊研發(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，抗折強度，層間的粘結強度等物理性質，證實該混凝土可以用于混凝土打印技術。目前該團隊用混凝土打印技術制造出了混凝土構件。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，采用特殊的墨水—混凝土進行打印，在一天內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打印機的強大功能。

4）尼龍纖維激光燒結工藝
英國倫敦設計工作室Softkill Design正著手使用3D打印技術建造大批量民用住房。這些房屋以骨骼架構為原型，以纖維尼龍為結構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。2012年，倫敦設計工作室Softkill Design 的設計師們運用3D打印機打印出了一個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打印機實驗室使用激光燒結生物塑料，并添加金屬等較堅固的物質制成。打印好之后運送至建筑基地拼裝，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打印制造的纖維結構只有0.7mm厚。而下一步，在前者的研究和開發(fā)的基礎上，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，建造經濟型3D打印房屋將成為現(xiàn)實。

5）粉末壓實與蒸汽固化工藝
恩斯赫德（荷蘭東部城市）的學者A. Budding在粉末壓實的快速成型技術方面進行了一些研究。在這類特殊設備上的研究，馬里博爾大學的DanijelRebolj提出一種新的建筑技術概念，可以在納米級的層次進行施工追蹤。美國華盛頓大學的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、粘結劑選擇、粘結配方和測試、打印流程規(guī)范、后期處理等。泰國國家金屬和材料技術中心的R. Chumnanklang等研究低成本的水溶性天然高分子粘結劑、羥磷灰石顆粒噴霧干燥技術在3D打印中的應用。 圖 2-18為世界首座3D打印辦公樓。

紐約倫斯勒理工學院機械工程系的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構的固體成型技術的前景。麻省理工學院的史蒂文.基廷等提出了使用機器人技術用復合材料制造和復制的3D打印。英國的拉夫堡大學土木與建筑工程學院的T.T. Le 等研究了用3D打印技術通過9mm直徑噴嘴打印逐層累積的結構構件。這不同于傳統(tǒng)的施工，密實分層過程中的混凝土達到很高的拉壓強度。

6）建筑構件拼裝與整體建筑打印結合的工藝
3D打印建筑工藝設計需要更多地和仿生學結合，設計輕質高強度的結構，來彌補3D打印建筑不便采用傳統(tǒng)建筑鋼筋帶來的強度損失。未來的3D打印建筑發(fā)展方向將分為建筑構件打印后拼裝、整體建筑打印和兩種工藝互補等形式。

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現(xiàn)。其原理是采用包裝好的沙袋碼疊成圓拱形，構筑非常自然的居住環(huán)境(見圖3-2、圖3-3)。國內的新農村建設可以以此為樣板。

7）3D打�。珶o人機技術

英帝國理工學院、倫敦大學學院和英國巴斯大學的研究人員對于未來3D打印借助BIM，再新添無人機雙翼后，將在災難安置房領域發(fā)揮的作用有了更高的期待。

這種3D打�。珶o人機的技術被稱為“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，實現(xiàn)：無人機搜集現(xiàn)場信息—將搜集到的信息提供給BIM軟件—設計結構—使用具有3D打印功能的攜帶了打印材料的多架無人機進行建設。

研究人員稱，AABM技術不僅能被用于災后應急建筑的建設，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難或應急住房的3D打印項目。難民住房危機或將通過使用機器人組裝3D打印的預制構件以非常經濟的方式得到解決。
但是，這是史上首次運用3D技術＋無人機進行現(xiàn)場建設，而無需使用大型打印機或預制構件的方法。

第三部分 3D打印建筑的發(fā)展前景

3.13D建筑打印技術對于傳統(tǒng)技術的優(yōu)勢
與傳統(tǒng)施工工藝相比，3D建筑打印技術的優(yōu)勢主要有：
1）施工速度至少要快10倍，且建筑類型、復雜性等因素不會增加建設成本；
2）由于全程由電腦程序操控，直接基于CAD設計等的施工建造只產生5~10mm的誤差，該技術允許的精度和設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的設計想法；
3）不需要模板，定制型強，可塑性好，可打印出任何細節(jié)特點與復雜曲面、管道等；
4）可以使消費者根據(jù)自己的需求量身定制產品；
5）無需人工干預意味著建筑行業(yè)傷亡事故風險的大幅減少，大量節(jié)省人員勞工，且用于建筑施工的安全措施費降低；
6）可以就地取材，極大節(jié)省建造的運輸成本；
7）由于是整體結構成形，建筑抗震性能大大增強；
8）可以適應惡劣環(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)境下進行施工建造；
9）可以運用于古文物保護中，精準恢復古建筑的殘損、遺失部分；
10）可以降低建筑粉塵污染，減少霧霾，保護環(huán)境實現(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打印建筑技術在工程項目建設過程中的優(yōu)勢
1）前期開發(fā)階段。目前大部分的工程建設項目在前期開發(fā)階段主要通過二位圖形想象三維空間，只能通過相關設計圖紙或者意向圖來表達工程項目的需求。而利用3D打印建筑模型，可以圍繞模型進行討論，能夠清晰的看出工程建設項目的優(yōu)勢與不足，集思廣益，使工程項目的建設能夠盡可能的表達出各方的需求。
2）方案設計階段。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)調程度，能否與環(huán)境或規(guī)劃相符合。
3）項目技術設計和營造階段。項目的技術設計和細部處理、風格展現(xiàn)等方面都可以較現(xiàn)在更加深化細致。例如在裝修裝飾的內飾材料、內部空間的陳設和裝飾物品，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）項目實施階段。工程建設實施階段只需要一臺電腦和打印機、圖紙就可以打印出建筑。工程建設的數(shù)字化控制與施工，可以大大提高施工效率，有效的縮短建設工期。
5）項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計風格，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、打印設備、設計方法、施工工藝和標準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，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，存在著抗拉強度低、抗裂性能差、韌性差、構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打印建筑當前發(fā)展的關鍵。
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�！拜喞�工藝”和盈創(chuàng)采用的打印方式類似于FDM技術(熔積成型技術)，通過“擠出”半凝固的打印材料來構建物體，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沒有形成足夠的強度，就會在壓力作用下產生變形；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性能就比較差，形成構件的一個薄弱環(huán)節(jié)�！癉—shape”采用的打印方式類似于SLS技術(選擇性激光燒結技術)，首先鋪設層狀粉末(砂子)，再將粉末黏結構成構件，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，還需進一步探索更適于建筑建造特點的打印方式。
3）打印設備
目前3D打印建筑設備主要是采用軌道式，這種方式的特點是結構簡單穩(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)集運輸、攪拌、打印、吊裝等多種功能于一體的打印設備。打印設備能夠運輸纖維材料和夕l-JJn劑到達打印場地，并攜帶部分現(xiàn)場不能打印或打印難度較大的預制構件。主要的打印材料如水泥、砂子、水等由業(yè)主白備，打印設備按特定的配合比對原材料進行配制和攪拌。然后打印設備按設計要求現(xiàn)場打印墻柱構件，并按照設計要求調整打印墻體的寬度，同時打印設備還可在打印過程中對墻體進行抹平等處理。打印完1層墻體后，打印設備可對打印機械進行調整，使其能夠吊裝預制的樓板、梁等構件。吊裝完成后又可進行下一層構件的打印。
4）設計方法
目前建造3D打印在工程施工中的應用還屬于探索階段，沒有成熟的設計理論和方法可以借鑒。由于3D打印建筑與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構、砌體結構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件性能的基礎上研究適于3D打印建筑的設計理論和設計方法。
5）施工工藝
3D打印建筑技術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，其在施工工藝方面需解決支撐、找平、配筋結構裝飾一體化等問題。
6）標準體系
3D打印建筑的打印材料標準、設計規(guī)范、施工規(guī)范、驗收標準等一系列的標準體系的制定是3D打印建筑技術在發(fā)展過程中逐步形成的，應在市場的主導作用下，以企業(yè)為主體逐步發(fā)展完善。標準體系應按照企業(yè)標準、行業(yè)標準、國家標準的順序來逐步推進。

3.43D打印建筑的發(fā)展前景
顯然，3D打印建筑的諸多優(yōu)點使其擁有廣闊的市場前景，而且隨著3D打印技術不斷進步，3D打印建筑技術的應用將越來越廣泛。
1）GRC，SRC等高檔建筑裝飾構件
GRC，SRC等高檔建筑裝飾構件造型復雜，利用傳統(tǒng)的制造方式成本較高。3D打印建筑技術由于不需要磨具，可以直接打印異形復雜的裝飾構件，可以充分發(fā)揮其技術特點，快速打印高檔的建筑裝飾構件，為3D打印建筑的推廣奠定基礎。
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，無法做到與設計完全一樣。3D打印建筑可以實現(xiàn)異形構件的打印，既降低成本，又可以實現(xiàn)設計信息的無損傳遞，使最終的產品做到與設計模型完全一致。
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，較少考慮成本，可充分利用3D打印建筑技術的特點，打印造型奇特和復雜的別墅，并在別墅打印過程中不斷改進技術、降低成本，推動其進一步發(fā)展。
4）農村住宅在3D打印
建筑的發(fā)展中期，農村住宅的3D打印是其發(fā)展的一個主要方向。農村住宅多為2—3層的多層住宅，多為農民自建住宅，不僅成本高，而且設計施工不規(guī)范，抵抗地震等災害的能力較差。如果3D打印建筑能夠做到降低成本，采用規(guī)范的設計和施工標準，則能在農村地區(qū)得到迅速推廣，這對我國的新型城鎮(zhèn)化建設和農村地區(qū)發(fā)展會起到不可估量的作用。
5）經濟適用房和廉租房
在3D打印建筑的發(fā)展中后期，在技術相對成熟的情況下，可以利用3D打印建筑速度快、性能優(yōu)越的特點，修建以經濟適用房和廉租房為主的多層住宅，短時間內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、抗風等要求的情況下，可以開發(fā)適于高層建筑的打印設備，實現(xiàn)對高層建筑的3D打印。這是3D打印建筑發(fā)展的長遠目標。
7）抗震救災緊急用房
利用3D打印建筑的快速建造優(yōu)勢，可在地震、臺風、泥石流、海嘯等自然災害后快速進行災后安置工作，可在最短的時間內將受災群眾進行妥善安置。由于災害重建速度跟不上，汶川地震一年多以后，仍有災民住在帳篷內，嚴重影響其生活。如果利用3D打印建筑技術，既可以利用災后的大量建筑垃圾，又可以在短時間內修建起大量的災后用房，提高災民的生活品質，快速進行災后重建工作。
8）防風固沙
草方格治沙是國際公認的防風固沙的效果非常好的辦法，但是人工鋪設速度慢，成本高，無法大面積推廣�？梢岳�用3D打印建筑技術，以草為打印材料，可實現(xiàn)草方格鋪設的自動化，使其在沙漠環(huán)境中大規(guī)模應用。
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打印建筑設備運送到太空基地，直接利用外星球表層的土壤作為主要的打印材料，從地球運送少量建筑材料即可。3D打印建筑技術可以更快速環(huán)保地在外太空批量建造適合人類居住的建筑。

4結語
3D打印作為一種新型生產技術，在我國建筑業(yè)領域的發(fā)展只是初露端倪，國外的發(fā)展相對更成熟，根據(jù)國外研究實踐的經驗，同時由于我國目前傳統(tǒng)建筑業(yè)存在環(huán)境污染嚴重、人力成本高、高能耗等各種問題，3D打印技術在我國建筑業(yè)領域的推廣應用具有可行性和廣闊前景。

然而，在充分的完善之前，每一項新技術在應用中都會出現(xiàn)不可預料的問題，3D打印建筑自然不會幸免。作為新興技術，3D打印建筑同樣面臨著各種各樣的考驗。對于建筑企業(yè)來說，這既是挑戰(zhàn)，同時也是機遇，相信在未來，3D打印技術會在建筑業(yè)上得到更長足的發(fā)展。

作者： 邱國鋒
來源：中天施工技術

@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。