環(huán)保又高效的3D打印建筑

李偉

隨著3D打印技術(shù)不斷發(fā)展，將建筑物直接打印出來(lái)的工藝，應(yīng)用前景越來(lái)越廣闊。它不僅能夠簡(jiǎn)化建筑過(guò)程，還能精確計(jì)算所需建材的數(shù)量，而且?guī)缀醪粫?huì)產(chǎn)生建筑垃圾。

用于打印建筑的巨型3D打印機(jī)

美國(guó)硅谷的“新故事”公司設(shè)計(jì)建造的3D打印民居

據(jù)英國(guó)路透社報(bào)道，在德國(guó)海德堡市，“歐洲最大的3D打印建筑”于今年7月完工，未來(lái)將作為一個(gè)計(jì)算機(jī)服務(wù)器中心投入使用。據(jù)該項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)商介紹，3D打印機(jī)按照預(yù)先輸入的程序，從噴嘴中“擠”出建筑材料。工程人員對(duì)打印出的建筑部件進(jìn)行簡(jiǎn)單組裝，即可完成建造過(guò)程。這是3D打印技術(shù)在建筑業(yè)的應(yīng)用中取得的重大進(jìn)展。

“輪廓工藝”

3D打印建筑技術(shù)本質(zhì)上屬于一種增材制造工藝，設(shè)計(jì)師將數(shù)字化設(shè)計(jì)模型輸入打印機(jī)，轉(zhuǎn)化為打印指令，打印機(jī)按照設(shè)計(jì)要求將特殊材料層層疊加，形成特定形狀的建筑部件。

在大多數(shù)人的概念中，油墨是液態(tài)的。而3D打印建筑使用的“油墨”，是一種經(jīng)過(guò)特殊玻璃纖維強(qiáng)化處理的混凝土材料，其強(qiáng)度和使用年限大大優(yōu)于鋼筋混凝土?！坝湍睌D出后很快會(huì)凝固，保證打印機(jī)能連續(xù)打印?？招牡膲w不但大大減輕了建筑物本身的重量，還可以按需求填充保溫材料，并可任意設(shè)計(jì)墻體結(jié)構(gòu)，解決承重問(wèn)題。因此，無(wú)論是橋梁、簡(jiǎn)易工房、劇院，還是賓館和居民住宅，其建筑體的強(qiáng)度和牢固度都符合甚至高于建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3D打印建筑在效率提升和可持續(xù)發(fā)展方面擁有優(yōu)勢(shì)。美國(guó)南加州大學(xué)工業(yè)與系統(tǒng)工程教授比洛克·霍什內(nèi)維斯正在研發(fā)一種新的工藝。這種新工藝?yán)?D打印技術(shù)，可在不到20小時(shí)的時(shí)間內(nèi)建造一幢面積達(dá)230平方米的建筑。該項(xiàng)目獲得美國(guó)航空航天局的支持和資助。霍什內(nèi)維斯把這種工藝稱為“輪廓工藝”，他認(rèn)為，該工藝得到推廣，可以幫助全球10億人改善居住條件。

“輪廓工藝”在概念設(shè)計(jì)上比較簡(jiǎn)單，但實(shí)施起來(lái)比較復(fù)雜。它需要一臺(tái)巨型3D打印機(jī)，其工作原理很像我們辦公室中使用的打印機(jī)，不過(guò)它噴出的不是油墨，而是混凝土。在“輪廓工藝”系統(tǒng)的噴口上，齒輪傳動(dòng)裝置可以創(chuàng)建房屋的基礎(chǔ)和墻壁。這種建筑能夠抵御地震和其他自然災(zāi)害?；羰矁?nèi)維斯稱，使用該工藝不僅成本低、建造速度快，而且對(duì)環(huán)境友好。

早在2015年6月，阿聯(lián)酋迪拜就宣布，將嘗試?yán)?D打印技術(shù)建造辦公樓。迪拜致力于率先利用各種領(lǐng)先的技術(shù)，從而成為全球創(chuàng)新中心——利用3D打印技術(shù)建造辦公樓是該計(jì)劃的組成部分。這個(gè)項(xiàng)目證明了3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)的高效率和創(chuàng)造性，有望改寫(xiě)建筑和設(shè)計(jì)行業(yè)。

這棟建筑的使用面積為250平方米，所有零部件由一臺(tái)6米高、36米長(zhǎng)、12米寬的大型3D打印機(jī)打印完成，所使用的“耗材”是一種新型建筑材料，融合了混凝土、石膏和塑料。施工方僅用2天就完成了零部件的安裝工作。除了建筑本身，其室內(nèi)的所有家具也都是利用3D打印技術(shù)制造的。

2016年，這個(gè)當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的3D打印作品完成了，它也是第一座投入實(shí)際運(yùn)營(yíng)的3D打印建筑。迪拜宣布，它將成為“未來(lái)博物館”的一部分。

優(yōu)勢(shì)所在

相比傳統(tǒng)的建筑方式，3D打印技術(shù)在建筑行業(yè)中的應(yīng)用有哪些優(yōu)勢(shì)？

首先，使用3D打印技術(shù)建造一座建筑所需的時(shí)間大大縮短。例如，上文提到的德國(guó)海德堡的“歐洲最大3D打印建筑”占地600多平方米，傳統(tǒng)建造方式需要現(xiàn)場(chǎng)有十幾名工人協(xié)同工作，而使用3D打印技術(shù)，只需要一臺(tái)大型設(shè)備，由兩名工人在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督工程進(jìn)度即可。

其次，3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高的精度和更大的自由度。傳統(tǒng)建筑方式可能會(huì)受到建筑規(guī)劃、建筑結(jié)構(gòu)以及工人技能等因素的限制，而3D打印技術(shù)可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的意愿直接打印出最終建筑的模型，從而實(shí)現(xiàn)更高水平的設(shè)計(jì)創(chuàng)意和更大的自由度。

3D打印建筑的牢固度怎么樣？能推廣作為居民住宅嗎？

據(jù)英國(guó)《新科學(xué)家》報(bào)道，3D打印不僅是一種全新的建筑方式，也是一種顛覆傳統(tǒng)的建筑模式。它堅(jiān)固耐用、高效節(jié)能，不僅在建造過(guò)程中節(jié)省了人力，還能大幅降低建造成本。

3D打印技術(shù)的最大亮點(diǎn)是可以讓建筑垃圾實(shí)現(xiàn)再利用，而且在建造過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生新的建筑垃圾。采用這種工藝，建筑工地不會(huì)雜亂無(wú)章，城市空氣質(zhì)量也會(huì)得到改善。

未來(lái)，隨著3D打印技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用也將繼續(xù)拓展。例如，人們可以將3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑維護(hù)和改造，以減少損壞和浪費(fèi)。此外，建筑設(shè)計(jì)師還可以利用3D打印技術(shù)將更多的創(chuàng)意和想象付諸實(shí)踐，創(chuàng)造出“唯美”“功能性強(qiáng)”“具未來(lái)感”的建筑。

未來(lái)預(yù)期

3D打印建筑質(zhì)量可靠，與傳統(tǒng)建筑相比可節(jié)約30%—60%的材料，縮短工期50%—70%，減少人工50%—80%，建筑成本降低50%。

3D打印建筑市場(chǎng)潛力巨大。據(jù)聯(lián)合國(guó)人類住區(qū)規(guī)劃署發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，到2030年全球?qū)⒂薪?0億人需要改善居住環(huán)境，這意味著每天需要新建9.6萬(wàn)套住房。面對(duì)巨大的市場(chǎng)需求，需要一種成本更低、效率更高、安全性更強(qiáng)的建筑模式。

歐洲數(shù)字建筑領(lǐng)域的專家格蕾絲·愛(ài)麗絲表示，3D打印建筑技術(shù)正以日新月異的速度發(fā)展，將帶動(dòng)建筑領(lǐng)域的自動(dòng)化和數(shù)字化，為當(dāng)前住房短缺和勞動(dòng)力緊缺的全球性難題提供解決方案。

當(dāng)前3D打印建筑技術(shù)的發(fā)展仍處于初期，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化尚面臨不少挑戰(zhàn)。比如，3D打印建筑仍沿用傳統(tǒng)的建筑標(biāo)準(zhǔn)，尚缺乏統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。德國(guó)3D打印建筑部門(mén)負(fù)責(zé)人法比安·布倫茨表示，未來(lái)3D打印建筑將向多戶型住宅社區(qū)的方向發(fā)展，真正解決規(guī)模化發(fā)展問(wèn)題。

丹麥知名3D建筑打印機(jī)生產(chǎn)商COBOD的創(chuàng)始人亨里克·尼爾森認(rèn)為，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，3D打印建筑的成本會(huì)大幅下降，推動(dòng)整個(gè)建筑行業(yè)發(fā)生革命性改變。

荷蘭韋伯建筑公司首席執(zhí)行官胡伊斯曼表示，3D打印建筑將提供一種全新的建筑方式和商業(yè)模式，包括項(xiàng)目承包商、技術(shù)人員、電路技工等在內(nèi)的行業(yè)從業(yè)者，需要實(shí)現(xiàn)觀念轉(zhuǎn)變，接受技能培訓(xùn)。這是3D打印建筑未來(lái)市場(chǎng)化取得成功的重要因素。

有業(yè)界專家指出，3D打印在建筑新材料開(kāi)拓和建筑工藝創(chuàng)新上的探索值得稱贊，不過(guò)，3D打印住宅要真正普及，還需斟酌。其“油墨”的成分主要是水泥和玻璃纖維，而一些國(guó)家禁止建筑物大量使用玻璃纖維，因?yàn)樗鼤?huì)影響人的呼吸系統(tǒng)。

迪拜最早投入使用的3D打印建筑

編輯：姚志剛? winter-yao@163.com