現在3D建筑打印作為一項新興技術，在使用范圍并不很廣泛的時候，而隨著運用的逐漸普遍，帶來的問題可能就會非常意外而復雜，也就需要工程師們的智慧來解決了

文　沈哲馭

現在3D建筑打印作為一項新興技術，在使用范圍并不很廣泛的時候，而隨著運用的逐漸普遍，帶來的問題可能就會非常意外而復雜，也就需要工程師們的智慧來解決了

文沈哲馭

3D打印技術近年來被炒得火熱。由于3D打印所需要的材料大都比較昂貴，3D打印機的尺寸又普遍比較昂貴而小型，其在大眾的印象里主要的使用還停留在的小型模型上。然而在材料應用方面，3D打印技術已經有了長足的發展，產生了很多非常獨特的應用，其中包羅萬象，從巧克力到人造心臟，不一而足。可以說，人們簡直把自己手邊可以拿到的每一樣東西，都放進了3D打印機里，然后把他們心中的幻想層疊固化出來。當然也有很多人嘗試把混凝土塞進打印機里，嘗試在建筑方面拓展3D打印的各種可能性。

“打印”房子在滬現身

近日來，某公司在上海張江青浦園內通過現場打印的方式，在24小時內，快速建造了10棟200平米建筑的墻體結構。

24小時10棟多層建筑到底是個什么樣的速度呢？

在國內現澆做法盛行的大背景下，筆者從萬科集團的住宅工程合理工期計算表中查到，對于框架結構的400平方米多層建筑的地上部分工期預算是14天，斜屋面另加12天工期，總計26天。而現在通過3D打印技術的幫助，1天之內就可以完成10棟建筑的主體結構施工，其效率最高可以整整提高了26000%。更令人驚奇的是，該種3D油墨打印出來的墻體，在能夠起到高強度混凝土的結構作用的同時，還能夠承擔保溫和防水的圍護任務，打印一次就可以完成主要的墻體功能，不需要再額外鋪設保溫層和防水層。而現在的工廠生產化程度最高的裝配式建造方式，也只能做到如此，傳統工地現澆的模式，與之相較更是效率差距巨大。

之所以能夠達到這樣的速度，主要是因為3D打印建筑的特殊施工方式和現在的施工方式有極大的不同。3D打印建筑主要分為兩種情況，一種是在工廠內預先將所需部件打印成型，然后運送到現場進行安裝；第二種是直接在場地現場支起巨型打印機，直接在基礎上將房屋主體結構一次打印成型。前一種更類似于之前曾經在上個世紀大行其道，最近又悄然復蘇的裝配式建筑，而后一種則更為獨特，我們之前提到的張江科技青浦園就是采用了這種形式。曾有相關人員參觀過案例現場后，如此描述現場感受“遠遠望去，這些房子跟普通建筑沒有什么兩樣，但走進一看，這些房子除了門窗外，墻體、地板、天花板都是聯成一體的，外墻看上去就像放大了的云片糕，層層疊疊，每層大概有兩厘米厚”。“只見一只巨大的噴頭，像奶油裱花一樣源源不斷噴出灰色的油墨，油墨呈“Z”字形排列，層層疊加，很快便砌起了一面高墻。”

由此可見，這種打印其原理和小型的3D打印并無二致，不過將普通的塑料或者金屬粉末置換成了速干型混凝土油墨，并且通過噴射的方式，使之層疊凝結起來，從而構建建筑。但是這當中，牽涉到了很重要的一點，就是3D打印的建筑似乎不需要長時間的養護。而普通的混凝土施工，在澆筑之后，需要長時間的濕養護，以維持混凝土中的水泥的水化過程能夠完全完成。混凝土澆注后，如果適逢氣候炎熱、空氣干燥的情況，如果不及時進行養護，那么混凝土中水分就可能會蒸發過快，形成脫水現象，從而使得已形成凝膠體的水泥顆粒不能充分水化，于是不能轉化為穩定的結晶，因此缺乏足夠的粘結力，就會在混凝土表面出現片狀或粉狀脫落。整個鋼筋混凝土的施工過程中，混凝土的養護時間占用的時間很長，也很復雜，但是從描述中可知，3D建筑打印使用的油墨已經可以在室溫下，無需養護就能產生足夠的結構強度并完成粘連，這不得不讓人驚嘆技術的進步。并且，因為3D打印使用噴頭打印的方式，不再需要重復支模，可以很大程度上節約模板。而模板在整個混凝土工程里占有5%-15%的預算，而且支模也需要相當的人工和時間。

在結構工程效率極大地提高的情況下，整個建筑的建設周期可以極大的縮短。這點在中國的房地產市場上的意義極其巨大。它的直接結果就是極大地降低了整個房地產市場的開發成本。中國絕大多數的開發商都是通過向銀行貸款，獲得大額資金來運作項目的。這就帶來一個問題，銀行的巨額貸款每天都在產生高額的利息，每延長一天的工期就意味著多繳一天的利息。根據中國人民銀行今天發布的《2014年金融機構貸款投向統計報告》顯示，中國2014年房地產開發貸款余額5.63萬億元，按照央行最新一至三年貸款利率5.25%估算，2014年一年的房地產貸款的利息在2955.75億元，分攤到每天有8億元人民幣。如果全國范圍能夠節省一天工期，就能減少8億元的貸款利息。這個數字不可謂不驚人。

與此同時，3D打印據稱還更加有利于城市環境的保護。該公司的馬義和董事長曾經多次表示，該種油墨是一種特殊處理過的玻璃纖維加強過的混凝土，其原料來源很大一部分是來自于將建筑垃圾通過技術處理、加工、分離之后的再利用。而在中國，城市垃圾中建筑垃圾占到了總量的三分之一左右，從這個角度而言，如果如其所言，這不僅保障了油墨的來源取之不竭，同時更是對于都市環境下的節能環保有重大的意義。

技術突破或將顛覆建筑理念

僅從建造效率角度而言，上一次建筑技術得到如此驚人長足的發展，還是上個世紀初，鋼筋混凝土結構和鋼結構出現的時候。此后，隨著技術的不斷成熟和發展，設計師對于技術運用的逐步熟練，終于在上個世紀30年代初期，產生了薩伏伊別墅這樣開天辟地式的新建筑，完成了多米諾體系的最終確立，同時也宣告了現代主義建筑的誕生。隨著鋼筋混凝土結構和鋼結構的普遍運用，建筑設計與使用也隨之發生了深刻的改變。

當時建筑結構相比于原先拱券承重墻系統，效率得到了前所未有的巨大提升，建筑建造活動不再是動輒十數年的大型工程。同時，建筑建造也不再是被傳統手工藝工匠壟斷的技術，而是逐漸變化為可以通過建筑產業工人規模化生產的生產技術。隨著建筑施工工藝的改變，建筑行業也誕生了一批與之相應的時代強音，陸續形成了包豪斯風格、至上主義、野獸派等等深刻的影響了整個20世紀工藝美術史、設計史和文化史的思潮，徹底改變了19世紀的新古典主義折中主義的風尚。

那么這次的技術革命是不是也是生產方式改變的前奏？同濟大學建筑與城市規劃學院教授、致正建筑工作室創始人兼主創設計師張斌顯然認同這樣的看法。在他的觀點里，整個3D打印建筑的技術革命，最有可能的發展趨勢就是從此讓建筑建造活動從一個被專業技術人員把持著技術的技術壟斷式生產活動，變成一個更為容易掌握的，能夠讓普羅大眾參與進來的生產活動。當建筑中數量眾多的構造、做法、材料和結構都能夠被輕松選取、組合的時候，尤其是當3D打印技術和AR技術以及計算機技術結合起來的時候，大眾就可以通過UI友好的電子程序，自行進行建筑設計，同時通過AR技術轉化為虛擬現實場景預先可體驗，最后通過3D建筑打印技術直接建成。建筑師將從手工藝工匠轉型成專業技術官僚之后，又將最終轉型成為人們居住夢想實現的幫助者和指導者，通過自己的專業知識協助人們將自己心目中的建筑功能布置得更合理，結構更為輕便節約。

不過張斌認為生產方式的改變是個漸進的過程，是個趨勢，并不會因為技術的出現而立即改變，而是會隨著技術的普及逐步的改變。在整個生產方式根本性質改變之前，整個建筑的設計方式或許會出現一部分的先鋒作品，但是未必會成為主流的設計思潮。從現狀來看，整個建筑設計和3D打印技術相結合的部分，主要還是以參數化設計為主。參數化設計從現在的情況來看，還是以一種被資本主義的獵奇心理推動著向前發展的造型藝術為主。這個思潮更多的是上個世紀高技派的余波，是對于技術本身極限的追索，但是并不是致力于改變整個建筑設計的方式。但是，當然這種對于技術本身的探索，很大程度上也能有益于技術的普及。從3D打印技術來看，就是打印機械和油墨量產帶來的成本下降，同時大面積的商業運用能夠同時照顧到特殊性和普遍性，使得技術的應用范圍更為寬廣。但是據此就斷言，3D打印建筑技術將改變整個設計的思維方式，為時尚早。

未來發展應用還需更深探索

當然作為一項新興的建筑技術，3D打印離大規模的實際應用還有比較大的距離。同濟大學建筑系博士生導師來增祥教授曾對媒體這樣表示，該3D打印的“油墨”的構成主要是高標號水泥和玻璃纖維。而據他所知，某些國家禁止建筑大量使用玻璃纖維，因為玻璃纖維會影響人體呼吸系統。現在的醫學研究表明，玻璃纖維的使用確實和作業工人慢性咽炎和慢性鼻炎有明顯的相關性。現在3D建筑打印作為一項新興技術，在使用范圍并不很廣泛的時候，很多問題并不會凸顯，而隨著運用的逐漸普遍，帶來的問題可能就會非常意外而復雜，也就需要工程師們的智慧來解決了。

3D打印建筑的內部結構、綜合強度、剛度、防火性、使用年限等等現在也仍然需要進行仔細的調查研究，其能否在耐久性、承載力和耐火性能上符合各項指標，仍然需要有關權威機構的考察和認定。不過我們也不必為此過于擔憂，每一項技術在初始階段都不能夠盡善盡美，而是在運用的過程中逐步發展和完善。從倫敦世博會1850年的水晶宮到現在隨處可見的鋼結構，至今已經有了150余年的發展。鋼結構也經歷了重重考驗，從鑄鐵到現在的碳素鋼特種鋼，從原來的一燒就軟到現在的耐火極限的提升，技術也隨著時代的進步一直在不懈發展。3D打印建筑的技術應該也是如此，逐漸在運用中走向精細和完善。

從現在來看，3D打印建筑確實取得了很多原來技術上難以想象的奇跡，而這些突破性的進展主要是集中在效率和施工方式上。其技術發展的背后也蘊藏著整個產業升級和生產方式改變的種子。這種生產方式的改變有可能帶來整個行業定位的巨大顛覆和整個建筑產業技術人員的角色轉變。然而從現在來看，并不能斷言3D打印建筑技術是不是一定會帶來新的建筑界、設計界乃至文化界的思潮變化。并且3D打印建筑因為其油墨的可靠性和新技術的固有的不穩定，離迅速鋪開成為主流技術還有一定的路程要走。但是3D打印建筑給建筑行業帶來的新的思考空間和維度，無疑已經是陷入發展瓶頸的建筑行業的一個新的突破點。

【作者系同濟大學建筑設計研究院建筑師】