基于3D打印時代的建筑技術發展研究

張曉光

（1.中國海洋大學，山東 青島 266100；2.德州市公安局交通警察支隊，山東 德州 253000）

1 3D 打印技術的發展

3D 打印技術又稱為三維打印技術， 與傳統的打印技術不同， 它打印出來的是實物模型， 而傳統打印機打印出來的是圖紙。 3D 打印技術是以粉末狀金屬或塑料為原料，以數字模型為基礎，利用逐層打印方法打印出不同形狀的實物的一種技術。 可以說3D 打印技術可以打印任何實物，它既能降低生產成本又能提高生產效率。

1.1 3D 打印技術的特點

3D 打印技術始于二十世紀80年代，目前，美國的Stratasys是世界上最大的3D 打印設備商。 有效降低成本是3D 打印技術最大的特點，因為3D 打印技術不需要紙和墨，它是運用電子制圖、激光掃描、數據傳輸、材料熔化等一系列技術，通過打印把模型變成實物，從而節省一系列的人工、原材料成本。 另外，3D 打印技術還能大幅度節省工作時間。 例如，美國“輪廓工藝”的3D打印項目，一座200 多平方米的兩層樓房子在24 小時內就能打印出來，這是傳統的建筑行業無法想象的。

1.2 3D 打印技術原理

3D 打印是采用分層加工、迭加成形，通過逐層增加材料來生成3D 實體，它具有速度快、成本低等優點，它是添加劑制造技術的一種形式， 它參照了打印機的技術原理，3D 打印分層加工過程與傳統的噴墨打印十分相似。 通俗地講，3D 打印是一片一片地打印，然后把它們疊加在一起，形成一個立體物體。 傳統打印機用的是“墨水”，而3D 打印機用的是貨真價實的原材料。

1.3 3D 打印的應用

在國際上，3D 打印技術已成為一種發展潮流，在設計領域特別是在工業設計上更是被廣泛應用，可以說，只要這些行業需要模型和原型，就可以通過3D 打印機打印出來。如燈罩、身體器官、賽車零件以及為個人定制的手機、小提琴，甚至是為隊員量身定做的足球靴等都可以用該技術制造出來。

近年來，3D 打印機在建筑設計領域和房屋建造上更是以其突出優勢得到越來越多的專業人員的青睞。 美國南加州大學教授比赫洛克·霍什內維斯成立了自己的“輪廓工藝”3D 打印技術項目，正進軍房屋建造領域。 最近，來自荷蘭阿姆斯特丹的建筑師們已經開始通過3D 打印技術來制造世界上首個全尺寸3D打印房屋。

2 3D 打印房屋的技術研究

根據3D 打印技術原理可知，“打印” 房屋和打印其他東西并無較大差別，只是所用的原料不同，規格大小不同。 如果按照傳統的建造方法來建造房屋會有許多步驟， 需要耗費大量的人力和物力才能建造一棟令人們滿意的房屋，而用3D 打印機則顯得較為容易。根據霍什內維斯“輪廓工藝”，其房屋的建造是這樣“打印”出來的：首先選擇一塊足夠大的建房空地，安裝一臺“打印”設備，這一準備過程只需3-5 人，準備時間為幾個小時。這個“打印”設備有兩個滑軌，在滑軌的橫梁上有一個較大的給料機。其次是將預先設計好的房屋立體模型輸入3D 打印系統， 啟動“開始”按鈕后，3D 打印設備上的移動噴嘴就會噴射出特殊的水泥，勾畫出一個整體輪廓；最后，3D 打印機會一層一層地疊加墻體，一直到第一層樓板蓋好，再在頂上進行第二層地面的澆筑，然后按此程序進行房屋的屋頂和外部結構的澆筑。 在整個操作過程中，3D 打印系統會按照規劃的要求預留出門窗的位置。 當整個建筑的墻體完成后，再進行水、電、氣、暖等基礎設施的安裝，最后是安裝門窗和內部裝修工作。 此時，一棟完整的房屋就宣告完工了。 無需一磚一瓦，無需木材和腳手架，無需施工隊，在短短的20 個小時左右就能建造出幾幢簡單的毛坯房，而且用這種方法建造的房屋不會有任何安全事故。 據專家預測，用一天的時間就能建造一個近200 平米的房子， 其速度是人工建房所不敢想象的。

3 3D 打印技術的建筑工藝研究

3.1 “輪廓建筑工藝”

“輪廓建筑工藝”是美國南加州大學的“輪廓工藝”3D 打印技術項目，由美國航天局出資贊助，霍什內維斯教授是該項目負責人。 霍什內維斯說，“輪廓工藝” 其實就是一個超級打印機器人，它根據電腦設計的程序，層層疊加把房子打印出來。 “輪廓工藝”的速度之快令人震驚，一棟兩層樓高、面積200 多平方米的樓房用20 多個小時就能打印出來。 除此之外，該機器人還可以負責打印外墻、鋪地板等工作，即使貼墻紙也能辦理。 當然，這個機器人不是萬能的，到目前它還不能完全替代工人，諸如門窗安裝、管道鋪設等工作仍需要人工來完成。

3.2 “輪廓工藝”建造的房屋

用“輪廓工藝”打印出來的房屋具有外形美觀、環保、省時等優點，它使人類的創造力得到極大提升。 3D 打印是人類智慧的成果。 有了3D 打印，人類可以更加專注于設計環節。 一棟經典、別具一格的建筑是以設計為基礎的，有了3D 打印，建筑設計師無需花費較多的時間學習制造手藝， 也無需等待較長時間生產原型產品， 用幾個小時的時間就可以把頭腦中的新創意轉化成實物。 因此只要完成不同功能、風格各異的建筑的圖紙設計，就可以通過3D 打印來實現設計師的創意。

3.3 3D 打印出不同功能的房屋

首先是用于急需的簡易用房。 當地震、泥石流、海嘯等自然災害發生時，需要在最短的時間內將受災人群妥善安置。 傳統的建筑行業建造房屋需要一定的時間，而用3D 打印房屋就可以在短時間內解決這一問題。 特別是按照“輪廓工藝”技術建造的房屋是真正可以居住的房屋，在室內可以安裝各種設施，其強度和性能均優于當前使用的活動板房或救災帳篷，關鍵是速度快，極具實用性。

其次是用于經濟適用房或廉租房。 “輪廓工藝”具有建造時間快、性能優越的特點，其完全可以用于低成本房屋的建造，為經濟條件困難又想改善居住條件的人群服務。這一類住房，由于其強度更高， 工序也較為繁瑣， 因此與上述急需用房的建造相比，花費的時間要長一些。

4 3D 打印在世界建筑領域的發展與展望

4.1 英國

英國Softkill Design 建筑設計工作室在2013年初就形成了3D 打印房屋概念，他們認為，3D 打印房屋需要用尼龍搭扣進行固定，同時還要借助傳統建造技術。他們的設計理念是在骨骼基礎上建造纖維尼龍結構，而不是固體墻壁，采用的是極簡抽象派工藝，用足夠的塑料來保證結構的完整性。這種方式比現場采用沙子和混凝土來進行3D 打印制造的效果更好。

英國建筑設計工作室的3D 打印房屋概念將是房屋建造的革命性改變，他們用20 多天的時間將所有組件制造出來，并能用一天的時間組裝起來。 隨著3D 打印技術的日趨成熟，成本會不斷降低，這也意味著不久的將來會制造出更多的經濟型3D 打印房屋，最終能緩解英國住房危機。

4.2 中國

最近， 在我國上海市用3D 打印機成功打印出了十棟實體房屋。 這十棟“樣板房”矗立在上海的一處園區內，最大的一幢兩層建筑長10 米、寬6 米、高4 米，用不到三小時就完成了。 這十棟實體房屋經過簡單的內部裝修后，將作為園方的辦公室。

據中國3D 打印技術產業聯盟協會負責人講， 到2016年，我國國內3D 打印市場規模有望達到100 億元。就像數碼相機替代膠片相機那樣，3D 打印會顛覆傳統的建筑行業。

但是在當前用3D 打印出來的建筑還缺乏實體建筑功能，更像是模型而不是可以實際應用的產品。 3D 打印產業的發展任重道遠，但是其在設計業、建筑業的前景十分廣闊。

不管人們是否認可，3D 打印技術已悄然走入人們的視野。在發展過程中，3D 打印還存在著耗費建材成本高、 兼容性較差等問題，盡管如此，也阻攔不了其前進的步伐。 英國的索爾教授研制的3D 打印機不但能打印出毛坯房的基本結構，還能打印出整體浴室的結構、 簡單的裝潢設施， 甚至還能繪制出精美的壁畫。 意大利米蘭設計實驗室和英國的建筑師設計的電腦系統中，可以下載多種固定結構和尺寸的房屋構件。 建造房屋時可直接從電腦中下載需要的構件，打印出來進行組裝即可，高效、便捷、成本低，非常適用于災后重建領域。 美國的霍什內維斯教授和他的團隊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、成本低廉的優點，這將會為人類走向太空鋪平道路。

[1]謝若承，程捷.改進DataWindow 的打印技術[J].中國計量學院學報，1998（01）.

[2]范岳.Epson STYLUS C80 彩色噴墨打印機[J].電子測試，2002（01）.

[3]周麗韞，李鑫，代治國.VB 不規則打印技術及預覽的研究與應用[J].佳木斯大學學報（自然科學版），2005（02）.