基于3D打印时代的建筑技术发展研究

张晓光

（1.中国海洋大学，山东 青岛 266100；2.德州市公安局交通警察支队，山东 德州 253000）

1 3D 打印技术的发展

3D 打印技术又称为三维打印技术， 与传统的打印技术不同， 它打印出来的是实物模型， 而传统打印机打印出来的是图纸。 3D 打印技术是以粉末状金属或塑料为原料，以数字模型为基础，利用逐层打印方法打印出不同形状的实物的一种技术。 可以说3D 打印技术可以打印任何实物，它既能降低生产成本又能提高生产效率。

1.1 3D 打印技术的特点

3D 打印技术始于二十世纪80年代，目前，美国的Stratasys是世界上最大的3D 打印设备商。 有效降低成本是3D 打印技术最大的特点，因为3D 打印技术不需要纸和墨，它是运用电子制图、激光扫描、数据传输、材料熔化等一系列技术，通过打印把模型变成实物，从而节省一系列的人工、原材料成本。 另外，3D 打印技术还能大幅度节省工作时间。 例如，美国“轮廓工艺”的3D打印项目，一座200 多平方米的两层楼房子在24 小时内就能打印出来，这是传统的建筑行业无法想象的。

1.2 3D 打印技术原理

3D 打印是采用分层加工、迭加成形，通过逐层增加材料来生成3D 实体，它具有速度快、成本低等优点，它是添加剂制造技术的一种形式， 它参照了打印机的技术原理，3D 打印分层加工过程与传统的喷墨打印十分相似。 通俗地讲，3D 打印是一片一片地打印，然后把它们叠加在一起，形成一个立体物体。 传统打印机用的是“墨水”，而3D 打印机用的是货真价实的原材料。

1.3 3D 打印的应用

在国际上，3D 打印技术已成为一种发展潮流，在设计领域特别是在工业设计上更是被广泛应用，可以说，只要这些行业需要模型和原型，就可以通过3D 打印机打印出来。如灯罩、身体器官、赛车零件以及为个人定制的手机、小提琴，甚至是为队员量身定做的足球靴等都可以用该技术制造出来。

近年来，3D 打印机在建筑设计领域和房屋建造上更是以其突出优势得到越来越多的专业人员的青睐。 美国南加州大学教授比赫洛克·霍什内维斯成立了自己的“轮廓工艺”3D 打印技术项目，正进军房屋建造领域。 最近，来自荷兰阿姆斯特丹的建筑师们已经开始通过3D 打印技术来制造世界上首个全尺寸3D打印房屋。

2 3D 打印房屋的技术研究

根据3D 打印技术原理可知，“打印” 房屋和打印其他东西并无较大差别，只是所用的原料不同，规格大小不同。 如果按照传统的建造方法来建造房屋会有许多步骤， 需要耗费大量的人力和物力才能建造一栋令人们满意的房屋，而用3D 打印机则显得较为容易。根据霍什内维斯“轮廓工艺”，其房屋的建造是这样“打印”出来的：首先选择一块足够大的建房空地，安装一台“打印”设备，这一准备过程只需3-5 人，准备时间为几个小时。这个“打印”设备有两个滑轨，在滑轨的横梁上有一个较大的给料机。其次是将预先设计好的房屋立体模型输入3D 打印系统， 启动“开始”按钮后，3D 打印设备上的移动喷嘴就会喷射出特殊的水泥，勾画出一个整体轮廓；最后，3D 打印机会一层一层地叠加墙体，一直到第一层楼板盖好，再在顶上进行第二层地面的浇筑，然后按此程序进行房屋的屋顶和外部结构的浇筑。 在整个操作过程中，3D 打印系统会按照规划的要求预留出门窗的位置。 当整个建筑的墙体完成后，再进行水、电、气、暖等基础设施的安装，最后是安装门窗和内部装修工作。 此时，一栋完整的房屋就宣告完工了。 无需一砖一瓦，无需木材和脚手架，无需施工队，在短短的20 个小时左右就能建造出几幢简单的毛坯房，而且用这种方法建造的房屋不会有任何安全事故。 据专家预测，用一天的时间就能建造一个近200 平米的房子， 其速度是人工建房所不敢想象的。

3 3D 打印技术的建筑工艺研究

3.1 “轮廓建筑工艺”

“轮廓建筑工艺”是美国南加州大学的“轮廓工艺”3D 打印技术项目，由美国航天局出资赞助，霍什内维斯教授是该项目负责人。 霍什内维斯说，“轮廓工艺” 其实就是一个超级打印机器人，它根据电脑设计的程序，层层叠加把房子打印出来。 “轮廓工艺”的速度之快令人震惊，一栋两层楼高、面积200 多平方米的楼房用20 多个小时就能打印出来。 除此之外，该机器人还可以负责打印外墙、铺地板等工作，即使贴墙纸也能办理。 当然，这个机器人不是万能的，到目前它还不能完全替代工人，诸如门窗安装、管道铺设等工作仍需要人工来完成。

3.2 “轮廓工艺”建造的房屋

用“轮廓工艺”打印出来的房屋具有外形美观、环保、省时等优点，它使人类的创造力得到极大提升。 3D 打印是人类智慧的成果。 有了3D 打印，人类可以更加专注于设计环节。 一栋经典、别具一格的建筑是以设计为基础的，有了3D 打印，建筑设计师无需花费较多的时间学习制造手艺， 也无需等待较长时间生产原型产品， 用几个小时的时间就可以把头脑中的新创意转化成实物。 因此只要完成不同功能、风格各异的建筑的图纸设计，就可以通过3D 打印来实现设计师的创意。

3.3 3D 打印出不同功能的房屋

首先是用于急需的简易用房。 当地震、泥石流、海啸等自然灾害发生时，需要在最短的时间内将受灾人群妥善安置。 传统的建筑行业建造房屋需要一定的时间，而用3D 打印房屋就可以在短时间内解决这一问题。 特别是按照“轮廓工艺”技术建造的房屋是真正可以居住的房屋，在室内可以安装各种设施，其强度和性能均优于当前使用的活动板房或救灾帐篷，关键是速度快，极具实用性。

其次是用于经济适用房或廉租房。 “轮廓工艺”具有建造时间快、性能优越的特点，其完全可以用于低成本房屋的建造，为经济条件困难又想改善居住条件的人群服务。这一类住房，由于其强度更高， 工序也较为繁琐， 因此与上述急需用房的建造相比，花费的时间要长一些。

4 3D 打印在世界建筑领域的发展与展望

4.1 英国

英国Softkill Design 建筑设计工作室在2013年初就形成了3D 打印房屋概念，他们认为，3D 打印房屋需要用尼龙搭扣进行固定，同时还要借助传统建造技术。他们的设计理念是在骨骼基础上建造纤维尼龙结构，而不是固体墙壁，采用的是极简抽象派工艺，用足够的塑料来保证结构的完整性。这种方式比现场采用沙子和混凝土来进行3D 打印制造的效果更好。

英国建筑设计工作室的3D 打印房屋概念将是房屋建造的革命性改变，他们用20 多天的时间将所有组件制造出来，并能用一天的时间组装起来。 随着3D 打印技术的日趋成熟，成本会不断降低，这也意味着不久的将来会制造出更多的经济型3D 打印房屋，最终能缓解英国住房危机。

4.2 中国

最近， 在我国上海市用3D 打印机成功打印出了十栋实体房屋。 这十栋“样板房”矗立在上海的一处园区内，最大的一幢两层建筑长10 米、宽6 米、高4 米，用不到三小时就完成了。 这十栋实体房屋经过简单的内部装修后，将作为园方的办公室。

据中国3D 打印技术产业联盟协会负责人讲， 到2016年，我国国内3D 打印市场规模有望达到100 亿元。就像数码相机替代胶片相机那样，3D 打印会颠覆传统的建筑行业。

但是在当前用3D 打印出来的建筑还缺乏实体建筑功能，更像是模型而不是可以实际应用的产品。 3D 打印产业的发展任重道远，但是其在设计业、建筑业的前景十分广阔。

不管人们是否认可，3D 打印技术已悄然走入人们的视野。在发展过程中，3D 打印还存在着耗费建材成本高、 兼容性较差等问题，尽管如此，也阻拦不了其前进的步伐。 英国的索尔教授研制的3D 打印机不但能打印出毛坯房的基本结构，还能打印出整体浴室的结构、 简单的装潢设施， 甚至还能绘制出精美的壁画。 意大利米兰设计实验室和英国的建筑师设计的电脑系统中，可以下载多种固定结构和尺寸的房屋构件。 建造房屋时可直接从电脑中下载需要的构件，打印出来进行组装即可，高效、便捷、成本低，非常适用于灾后重建领域。 美国的霍什内维斯教授和他的团队更是提出了在月球上或火星上建造房屋， 在外星球上建造的房屋可就地取材，具有安全可靠、成本低廉的优点，这将会为人类走向太空铺平道路。

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