3D打印在綠色建筑中的應用

(華南理工大學土木與交通學院 廣東 廣州 510000)

一、綠色建筑理念與設計原則

(一)綠色建筑理念

綠色，就是人類居住的局部環境的健康，和整個地球可持續的健康發展。綠色，在建筑上的含義，是指建筑設計、制造和使用的行為對資源和環境的沖擊達到最小的解決方式，不僅涉及到建筑形式的設計和材料的選擇，同時包括建筑的制造方式和維持建筑運轉的方式。綠色建筑是指在建筑的全壽命周期內，最大限度節約資源，節能、節地、節水、節材、保護環境和減少污染，提供健康適用、高效使用，與自然和諧共生的建筑[1]。

(二)綠色建筑設計原則

目前，國內的建筑發展正處于從追求建筑數量轉變到建筑質量的轉折期，要適應這樣的發展，推動綠色建筑評價是其中的一項重要且長遠的工作。《綠色建筑評價標準》GB-T50378-2014已經自2015年1月1日起實施。新版《標準》的評價指標，在原《綠色建筑評價標準》GB-T50378-2006中節地與室外環境、節能與能源利用、節水與水資源利用、節材與材料資源利用、室內環境質量和運營管理6大類指標的基礎上，《綠色建筑評價標準》GB-T50378-2014增加了“施工管理”和“運營管理”，更好地實現對建筑全生命期的覆蓋[2]。

二、3D打印在綠色建筑中的應用

(一)3D打印技術

3D打印技術出現在20世紀90年代中期，實際上是利用光固化和紙層疊等方式實現快速成型的技術。它與普通打印機工作原理基本相同，打印機內裝有粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，與電腦連接后，通過一層又一層的多層打印方式，最終把計算機上的藍圖變成實物。

在傳統工業領域，要制造一樣東西，首先要開模具，再澆鑄，生產出成品。而3D打印能以形制型，按需完成產品，它使用的“模具”就是電腦，電腦成形后將信息傳遞給3D打印機，3D打印機通過噴嘴噴出快速成型的可粘合材料。在實際應用中，首先利用計算機建模軟件對相應的三維模型進行構建。在第一構建體中，根據具體要求和一定的規律，離散有序序列單位，在Z方向上離散到一定的厚度，從而將原有的三維CAD模型轉變為若干層片。在每個層片中，將相應的處理參數輸入，并且通過系統輪廓信息，生成相應的數控代碼。將打印出的各個片層進行連接，從而形成了3D模型。

3D打印技術作為當前社會中一種新興的技術，具有很多方面的優勢和特點。在很多不同的領域當中，3D打印機都能夠進行良好的應用，并且在眾多實踐當中都取得了較為理想的效果。

(二)3D打印建筑技術

實際上，3D打印技術甚至可以徹底顛覆傳統的建筑行業[6]。通過3D打印技術建造起來的建筑物，由一個巨型的三維擠出機械構成，擠壓頭上使用齒輪傳動裝置來為房屋創建基礎和墻壁，直接制造出建筑物。

南加州大學Behrokh Khoshnevis教授團隊正在開發一種巨型3D打印機技術。3D打印機噴嘴分泌高密度、高性能混凝土，逐層堆積筑起了一道墻壁。為了節省材料，墻壁是空心的，為了加固墻體，墻內又噴制了一些“W”形的斜梁，雖然質量更輕，但他們的強度系數超過傳統房屋的墻壁。

隨著未來市場需求逐漸明朗、綜合技術取得突破，3D打印建筑材料技術的發展也進入了快車道。早在2016年7月，青海明陽環保科技有限公司就已研發出以石膏為主要材料的3D打印建筑油墨材料，更讓3D打印建筑從模型變為現實。

目前，中國建筑工程總公司所屬中建技術中心研制出的用于建筑3D打印的水泥基材料，可以實現連續打印。而中國五礦所屬二十二冶北京崇建公司自主研發的全國首個建筑渣土3D打印技術，目前已經進入實用化階段。南加州大學的工程師近年開發了“選擇性分離燒結”3D打印技術。總之，3D打印建筑材料技術正以前所未有的速度取得新的進展，而且基于廢物利用與循環利用的有點，其對于降低建筑成本的效用成為人們關注的焦點。

(三)3D打印建筑技術對“綠色”的實現

與其他應用領域相比，新興領域3D打印建筑才剛起步，目前仍停留在打印樣板房的階段，距大規模量產尚有距離。但其憑借著省人力、成本低、速度快、環保綠色的優勢，未來勢必掀起工程建筑領域的革命，其潛在的發展前景已獲得業內認可[6]。

1.施工管理節能。3D打印由電腦程序智能控制，保證了穩定性，可大大減輕建筑業日益高漲的勞動力成本壓力。3D打印建筑一次成型，減少材料損耗和工藝損耗，有效地改善施工粉塵和噪音的影響。

2.節材與材料資源利用。3D打印建筑的“油墨”實質是建筑垃圾的再利用，通過技術處理、加工分離使之成為3D打印建筑“油墨”的一部分原材料，讓建筑垃圾回到建筑中。

3.運營管理節能。3D打印的空心墻體不但大大減輕了建筑本身重量，還可以隨意填充保溫材料，并可任意設計墻體結構，一次性解決墻體的承重結構問題。

三、國內外3D打印建筑

2014年9月，10幢3D打印建筑在上海張江高新青浦園區內正式交付使用。這些建筑墻體是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，經一臺大型的3D打印機層層疊加噴繪而成。2015年初，盈創公司展示了一套3D打印的別墅，以及一幢五層樓的樓房。2016年5月25日，迪拜宣布，全球第一座功能性3D打印辦公樓已經開業。他們的3D打印機采用了包括混凝土、纖維增強塑料和玻璃纖維增強石膏在內的混合材料，在英國和中國完成了可靠性測試。2016年12月，全球第一座3D打印而成的混凝土橋落成啟用。在打造過程中可把建筑材料循環再用，十分環保。

四、3D打印建筑的挑戰

目前無論是國內還是國外，3D打印建筑都還停留在實驗室階段，國內3D打印企業在建筑領域的應用也大多是制造建筑模型，鮮有實體建筑的案例，并沒有進行產業化。房屋建好之后需要安全穩固，甚至還要抗擊一定的地震，滿足對建筑材料、鋼筋的安全性要求。3D打印材料也需要反復地驗證，包括材料的堅固性、抗壓性、抗震性等。同時也有施工工藝的要求。3D打印的房子能不能達到傳統建筑方法的技術指標，這還需要驗證。將3D打印技術應用到具有功能性的建筑體中至少需要3至5年。而且開始階段也不會以打印整棟房子起步，而是從部分個性化零配件起步。現在也還沒有真正商業化的3D打印機。

五、結語

雖然3D打印技術的發展前景可觀，但受到打印材料、打印機器以及控制精度等技術以及難以檢測其安全性能的限制，其在建筑行業的應用仍需要進一步探索。近幾十年來建筑材料與技術均取得了較大進展，但自20世紀50年代以來，建筑的方式幾乎沒有變化。3D打印建筑的新技術與傳統建造工藝互為補充，在鋼筋混凝土結構的基礎上結合3D打印技術，可以在綠色建筑概念設計與建造方面發揮其不可替代的作用。