3D打印建筑的應用現狀及發展前景

文/重慶大學管理科學與房地產學院 張 靜 薛雨桐

0 引言

3D打印原理是利用軟件建立三維模型，按照某一坐標軸進行逐層分解，再通過特定設備，將材料逐層制作成與三維模型一致的實體構件，該技術也被稱為增材制造 （Material additive manufacturing）[1]。3D打印技術應用于建筑業可打破傳統設計在建筑形狀上的禁錮，打印技術更立體，形狀更具多樣性，其眾多優勢吸引了國內外聚焦[2]。

1 3D打印技術在建筑業的應用背景

傳統建筑技術與3D打印技術相比，人工投入量大、建設周期長、環境污染重、資源浪費嚴重、易發生安全事故、產生較多建筑垃圾。3D打印技術可很好地解決這些問題，且當前該技術已有能力“打印”整棟房屋[3]。

2 3D打印建筑應用現狀

2.1 國外

荷蘭“蓋房者”采用3D技術呈現出世界上第1棟打印建筑，該建筑主體部分所用材料是混凝土，其他部分材料是可再生塑料，在符合建筑設計前提下，其綠色環保及美觀度得到一致好評（見圖1）。

圖1 世界上第1棟打印建筑

2012年美國南加州大學海域美國航天局合作研發出“輪廓工藝”3D打印機，該機器可進行x、y、z軸的打印工作，一層層將整棟房子打印出來[4]。目前“輪廓工藝”已可使用水泥混凝土作為打印材料(見圖2）。

英國奧雅納（ARUP）3D打印技術主要用于打印鋼結構，3D打印鋼結構可減少75%的CO2排放，使材料消耗減少40%[5]（見圖3）。

圖2 “輪廓工藝”打印機

圖3 ARUP打印的復雜鋼結構

2.2 國內

國內3D打印技術水平較高的企業是中國盈創建筑科技（上海）有限公司，該公司打印出全球首棟精裝1100m2的3層樓別墅用時7d（見圖4a）；全球首座6層15m高的住宅樓10d內安裝完成（見圖4b）；2015年沙特阿拉伯邀請中國盈創5年內于當地建造150萬棟房屋；2016年盈創為迪拜政府打印出首批3D政府辦公樓（見圖4c），此外還打印出供排水系統；2018年3月9日《福布斯》雙周刊網站刊登文章指出中國在3D打印界的世界領先地位。上海楓涇作為首個3D打印建筑試驗區已成功打印首個公交站臺并投放使用（見圖4d）。

圖4 國內外3D打印建筑應用

2.3 3D打印技術在建筑領域的研究現狀

目前3D打印建筑應用較成熟的領域包括2方面。

1）建筑設計 提前做出完整的建筑模型，也可用于城市規劃模型中。于雷[6]指出3D打印機可以通過1：1實體打印實現其在設計階段的輔助功能。

2）工程施工 目前3D打印在施工方面主要用于打印供排水系統、精裝修及主體結構，主要應用技術包括“蓋房者”“輪廓工藝”“奧雅納”及“中國盈創3D打印”技術。

3 3D打印建筑應用分析

1）節約資源 3D打印技術是把材料熱熔后重新組合，避免材料浪費，減少中間物耗。在人力資源上，3D打印技術僅需幾個工人操作計算機即可，大大減少人力資源投入[7]。

2）實時打印 3D打印與傳統建筑模式相比有更大的適用性，即實時打印，其不需先建設房屋再售賣，而是售賣后直接打印，顧客在短時間內就可見到實體建筑，不存在庫存過多問題。

3）設計靈活 3D打印技術利用計算機成圖，設計只需計算機作畫即可打印，每人都能成為設計師，還可完全還原設計師的奇思妙想。

4）參與方信息不對稱 3D打印由程序啟動，信息掌握在3D打印方手中，對業主信息管理造成阻礙，也因信息交流不及時造成返工問題，從而延誤建設工期。業主方因缺乏相關信息導致對3D打印方的監督力度被削減，產品質量取決于打印方的自律程度。

4 3D打印技術應用優劣勢

4.1 優勢

1）降低成本 3D技術被引入建筑市場后降低了人工成本與機械設備采購成本，1臺3D打印機的價格為10萬～15萬美元[8]，可多次循環使用。

2）縮短工期 上文提到許多精裝房只需7d完成，直接拎包入住。目前全球3D打印建造速度較快，比傳統建筑技術快10倍以上。

3）安全性能高 3D打印技術施工時基本不需工人現場施工，因此施工過程中的坍塌、高空墜物和墜落事件皆不存在，使工作環境更安全。

4）保護環境 3D打印使用的材料多為可再生，如塑料和建筑廢渣的二次利用，有利于環境保護。

4.2 劣勢

1）技術不成熟 目前應用的3D打印材料種類較少，有待提高，對材料快速凝結及適合高層、高強度的要求增加了新材料開發難度。

2）人才短缺 3D打印是新技術，接觸該技術的人較少，大都處于觀望態度。人才是行業發展的永恒動力，人才缺乏限制了行業發展速度。

3）參與方信息不對稱 3D打印信息掌握在打印方手中，對業主信息管理造成阻礙。

5 發展前景

5.1 3D打印建筑適用建筑類型

1）無地下室的低層別墅 目前，3D打印建筑局限于中低層，無法滿足中高層建筑要求；3D打印技術僅適用于地面工程建設；對于低層別墅而言，業主可加入符合自身風格的特色元素，不僅增加房屋的美觀度，而且可體現擁有者的個性，真正實現房屋定制。

2）公共建筑 3D打印建筑構件可在工廠打印建造，再進行現場組裝[9]，因此3D打印建筑尤其適合公交站臺、公共廁所、休息長椅等建筑，其材料性能既能滿足要求，又能隨著規劃的改變進行拆遷重新組裝二次利用。不僅節約時間，而且可減少財政支出。

3）應急性建筑 3D打印技術可快速打印新房屋且自動安裝各種設施，大大改善救助人員的醫療環境；可快速打印出學校、公廁等，以最快速度使災區人民實現正常生活；搶險救災后，還可將建筑拆卸到其他地方，重新組裝二次利用[10]。

5.2 3D打印建筑應用前景

1）室內裝修 3D打印技術比一般工藝更美觀、環保，可根據客戶需求對裝飾品進行定制，不僅提高產品的美觀程度，而且更契合當下社會追求獨特個性的趨勢。3D打印進入裝修市場將為室內精裝帶來新改變。

2）高層建筑 目前3D打印還未進入高層建筑領域，因缺乏完善的驗收規范及無法改善材料強度等因素制約其發展。若未來能將傳統建造方式與3D打印方式相結合，不僅為3D打印建筑更好進入建筑市場奠定基礎，而且大大加快建設速度。隨著技術水平的提高，3D打印或將在未來研發出鋼筋材料或其他高強度材料，以促進其在建筑行業的發展。

6 結語

3D打印建筑技術目前仍處于起步階段，尚有亟待解決的問題，但未來3D打印技術一定能在室內裝修和高層建筑建造上發揮重要作用，若將3D打印與裝配式建筑相結合，利用3D打印技術打印構件再運至現場裝配，將給建筑業帶來新一輪變革。