一文看懂：3D打印才是未来建筑工程技术的颠覆者

2013年4月的汉诺威工业博览会上，德国政府正式推出 “工业4.0”战略，“工业4.0”概念即是以“智能生产制造”为主导的第四次工业革命。而以具有数字化、网络化、个性化、定制化特点的3D打印技术为代表的新技术就成为“智能生产制造”中推动第四次工业革命的巨大源动力。

3D打印技术在高端制造、教育、建筑设计、医疗、航空航天、文化创意、食品等领域都得到了实践应用，显示出巨大潜力的发展前景。本文对3D 打印的概念、技术类型及特点，在建筑领域的应用以及所面临的问题等方面进行介绍，并分享笔者对其在未来建筑领域应用前景的一些粗浅的看法。

一  3D打印的概念
3D打印，即快速成型技术的一种，运用该技术进行生产的特征是：应用计算机软件（比如CAD设计软件或者三维空间扫描立体成型软件等），设计出立体的数据模型，然后通过特定的成型设备（3D打印机），用液化、粉末化、丝化等可粘合材料逐层“打印”的方式来构造的物体。3D打印，顾名思义，更通俗的理解就是一种可用于打印三维空间实物的技术，区别于二维平面打印（就是常规的只能在平面上打印内容的技术），其打印出的实际物体可以现场直接拿来使用。3D打印作为一种通俗化名称，从成型方法方面来说其实质是增材制造技术。

在这里要阐明两个概念：所谓增材制造技术，就是基于3D模型数据，采用与减材制造技术相反的逐层叠加的方式生产物品的过程，通常通过电脑控制将材料逐层叠加，最终将计算机上的三维模型变为立体实物，是大批量制造模式向个性化制造模式发展的引领技术。而减材制造技术：以机械加工为例，就是加工一个所需的零部件，人们用一块整体材料通过工具（如数控车床）进行切削、拉伸、打磨等操作不断去除多余部分的材料来“瘦身”，最终获得所需要的零件形状。

二  3D打印技术及打印材料的概况
目前流行的快速成型技术有多种，而其中应用于3D打印机的技术分为3DP 技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结、LOM分层实体制造技术，应用较多的主要基于以上前四种技术，现对前四种技术进行简要介绍。

3DP技术：采用3DP技术的3D打印机使用标准喷墨打印技术，通过将液态连结体铺放在粉末薄层上，以打印横 截面数据的方式逐层创建各部件，创建三维实体模型。采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的 色彩，还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上。

FDM熔融层积成型技术：FDM熔融层积成型技术是 将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型下一层，直至形成整个实体造型。其成型材料种类多，成型件强度高、精 度较高，主要适用于成型小塑料件。

SL A立体平版印刷技术：SLA立体平版印刷技术以光 敏树脂为原料，通过计算机控制激光按零件的各分层截 面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描，被扫描区域 的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄 层。一层固化完成后，工作台下移一个层厚的距离，然后在 原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，直至得 到三维实体模型。该方法成型速度快，自动化程度高，可 成形任意复杂形状，尺寸精度高，主要应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。

SLS选区激光烧结技术：SLS选区激光烧结技术是通 过预先在工作台上铺一层粉末材料（金属粉末或非金属粉 末），然后让激光在计算机控制下按照界面轮廓信息对实 心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。该 方法制造工艺简单，材料选择范围广，成本较低，成型速 度快，主要应用于铸造业直接制作快速模具。

3D打印材料：按照材料的物理状态分类，3D打印材料可以被分为液 体材料、粉末材料、丝状材料、块状材料等。按照化学性能分类，可分为高分子类材料（如树脂、石蜡等）、金属材料（如铝、钛合金）、无机非金属材料（如石膏、陶瓷等）及其复合材料。
简单的来说，3D打印技术的实现从准备到最后打印成型可以归纳为以下步骤流程：

构件三维CAD模型的建立（或者用三维空间立体扫描仪进行实物扫描成为模型）———将CAD模型输入3D打印机———3D打印机基于三维CAD模型文件切分成大量二维文件（类似于医学当中的大脑切片技术）———将二维文件的几何数据输入激光/电子束/喷嘴头的控制器（相当于打印机的打印喷头）———控头（打印喷头）通过连接的竖向移动装置一层一层沿着Z轴打印材料———对打印构件做后期处理（例如打磨，上色等）。

三 3D打印的特点及优势
从3D打印技术的概念最早出现在20世纪70～80年代一直到现在已经有近30年的发展，3D打印无论是在技术还是在材料上都日渐丰富和成熟，展现出产品制作上巨大的发展潜力，其显著的特点和优势如下：

1、制作精度高，现在市面上成型的精度：家用机级别的精度可达到0.1mm。全球最高精度的工业级3D打印机Solidscape，最小层厚可以达到6.3μm，表面精度达到0.81μm，分辨率可达到5000*5000*8000dpi。

2、制作周期短，现做现用。传统模型制作往往需要经过模具的设计、制作、模型制作、修整等工序，制作周期长，而3D打印则去除了模具的制作过程，使得模型的生产时间大大缩短，而且以打印出来实体就可马上使用。

3、个性化制作。3D打印完全依赖于CAD技术，只要是图纸上能够设计出来的就能通过连续物理层的叠加打印出个性化产品，避开了传统制造工艺复杂的生产流程。

4、无需模具，无需机械加工，可以打印出实体的任意形体、任意空间形态（例如中空形态或物中物形态）。

5、产品制作材质的多样性。一个3D打印系统往往可以实现不同材料的打印或者多种材料的混合打印，使得产品性状不再单一，这种材料的多样性可以满足不同领域的需要。

6、小批量构件制作成本相对低。目前3D打印已被许多大公司采用，用于取代一些传统的加工制作方法。据统计，通过降低海外供货商的运输、包装费用、劳动力成本，同时采用更便宜、可靠的新材料等，3D打印可节约高达70%的加工成本。

7、更加环保和节约。制作过程中产生的垃圾更少。比如，很多钢材和塑料的制作就是一个产生大量工业废料和耗费过量材料的过程。以钢材生产为例，钢材的切割和焊接会造成大量浪费，而采用3D快速成型打印则可以省去这个过程。

8、一体化3D打印解决方案更简洁、高效。即厂家不仅提供打印机还提供软件工具和打印材料，还提供技术人员帮助指导和培训，从方案制定的选型，定型，到成型实体，普通消费者可以无需任何专业背景即可容易操作上手。

这些显著的优势使得3D打印技术实现了在多个领域的应用。

四 3D打印颠覆认知，改变建筑
Joseph Pegna是第一个尝试使用水泥基材料进行建筑构件3D打印的科学家，其方法类似于选择性沉积法：先在底层铺一层薄薄的砂子，然后在上面铺一层水泥，采用蒸汽养护使其快速固化成型。而当前应用于建筑领域的3D打印技术主要有三种：D型工艺（D-Shape）、轮廓工艺（Contour Crafting）和混凝土打印（Concrete Printing）。

1、D型工艺——由意大利发明家恩里克?迪尼发明，D型工 艺打印机的底部有数百个喷嘴，可喷射出镁质黏合物，在黏合物上喷撒砂子可逐渐铸成石质固体，通过一层层黏 合物和砂子的结合，最终形成石质建筑物。工作状态下，三维打印机沿着水平轴梁和4个垂直柱往返移动，打印机喷头每打印一层时仅形成5mm～10mm的厚度。打印机操作可由电脑CAD制图软件操控，建造完毕后建筑体的 质地类似于大理石，比混凝土的强度更高，并且不需要内置铁管进行加固。事实上这种方法类似于选择性粉末沉积，打印所使用的材料为氯氧镁水泥。目前，这种打印机已成功地建造出内曲线、分割体、导管和中空柱等建筑结构。

2013年1月份，一位荷兰建筑师与恩里克?迪尼合作，尝试运用D型工艺技术建造一栋建筑，命名为“Landscape House”，预期在2014年完成。该工艺甚至可以用于建筑人类在月球上的居所。

2、轮廓工艺——是由美国南加州大学工业与系统工程教授比洛克?霍什内维斯提出的。与D型工艺不同是，轮廓工艺的材料都是从喷嘴中挤出的，喷嘴会根据设计图的指示，在指定地点喷出混凝土材料，就像在桌子上挤出一圈牙膏一样。然后，喷嘴两侧附带的刮铲会自动伸出，规整混凝土的形状。这样一层层的建筑材料砌上去就形成了外墙，再扣上屋顶，一座房子就建好了。轮廓工艺的特点在于它不需要使用模具，打印机打印出来的建筑物轮廓将成为建筑物的一部分，研发者认为这样将会大大提升建筑效率。目前，运用该技术已经可以打印墙体，而且该团队正在与美国宇航局合作，试图将轮廓技术运用到美国未来“火星之家”项目中，建造人类在火星上的居所。

3、混凝土打印——由英国拉夫堡大学建筑工程学院提出，该技术与轮廓工艺相似，使用喷嘴挤压出混凝土通过层叠法建造构件。该团队研发出一种适合3D打印的聚丙烯纤维混凝土，并测试了这种混凝土的密度、抗压，抗折强度，层间的粘结强度等物理性质，证实该混凝土可以用于混凝土打印技术。目前该团队用混凝土打印技术制造出了混凝土构件。
根据现有的资料分析，3D打印可以以如下方式建造建筑物：

（1）全尺寸打印。这个方向的限制很明显，建筑越大所需要的3D打印机越大，更重要的是3D打印机越大，打印 精度和打印速度就会变差。所以现阶段的单一打印主要是 解决3D打印房屋的一些基本问题如材料、控制、精度等。
（2）分段组装式打印。即建筑的模块化，在工厂里把 每块打印好，最后在现场进行组装。这种方法的优点是解 决了建筑尺寸的限制，缺点是现场的组装工作又涉及到劳 动密集型，提高了成本。
（3）群组机器人集体打印装配。就是一群3D打印机 像蜜蜂一样共同执行任务（比如打印整幢房屋）。这样，打印机的尺寸跟建筑尺寸无关，同时打印机的智能要求也可 以大大降低。这种自组织自协调的群体智能方式也是现在人工智能的研究方向。

从上述内容可看出，3D打印不仅是一种全新的建筑方式，更可能是一种颠覆传统的建筑模式。与传统建筑技术相比，3D打印建筑的优势主要体现在以下方面：更快的打印速度，更高的建筑效率；不再需要使用模板，可以大幅节约成本；更加绿色环保，减少建筑垃圾和建筑粉尘，降低噪声污染；减少建筑工人的使用，降低工人的劳动强度；节省建筑材料的 同时，内部结构还可以根据需求运用声学、力学等原理做 到最优化；可以给建筑设计师更广阔的设计空间，突破现 行的设计理念，设计打印出传统建筑技术无法完成的复 杂形状的建筑。

五 3D打印在国内建筑工程领域的应用
我国3D打印技术正处于从起步到快速发展的过渡阶段，许多3D打印的公司相继成立，其中一些依托高校成立的公司如北京殷华（依托于清华大学）、陕西恒通智能机器（依托西安交通大学）、湖北滨湖机电（依托华中科技大学），已拥有3D打印设备生产和材料加工的能力。其中，激光直接加工金属技术发展较快，已基本满足特种零部件的机械性能要求，有望率先应用于航天、航空装备制造；生物细胞3D打印技术取得显著进展，已可以制造立体的模拟生物组织，为我国生物、医学领域尖端科学研究提供关键的技术支撑。而在建筑工程领域，3D打印技术应用也同样取得可喜的成果。

2014年8月，10幢3D打印建筑在上海张江高新青浦园区内正式交付使用，作为当地动迁工程的办公用房。这些“打印”出来的建筑墙体是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，按照电脑设计的图纸和方案，经一台大型的3D打印机层层叠加喷绘而成，10幢小屋的建筑过程仅花费24小时。据悉，此次所用3D打印机高6.6米、宽10米、长32米的打印机，底面占地面积足有一个篮球场那么大，高度足有三层楼高。且打印机长度还可以延伸，完全拉开足有150米长。

2015年1月，数幢使用3D打印技术建造的建筑亮相苏州工业园区。这批建筑包括一栋面积1100平米的别墅和一栋5层居民楼。这些建筑的墙体由大型3D打印机层层叠加喷绘而成，而打印使用的“油墨”则由建筑垃圾制成。据了解，5层高楼房由地下一层和地面五层组成，每层的建筑面积为200平方米。建造一层这样的房子，打印材料要一天，5个工人只需要花三天的时间就可以建造好。

2015年7月，一座由3D打印的模块新材料别墅现身西安，建造方在3个小时内完成了别墅的搭建。这个别墅由厨房、卧室、卫生间、客厅灯模块拼接而成，整个过程只需要一台起重机。据了解，它每平方米重100公斤，成本价格在每平方米2500元至3500元。虽是3D打印的别墅，不过倒是不必担心其质量问题，据说此栋别墅可以抗9级地震，房屋结构中还充分填充了保温材料，房屋的保温效果也非常不错。
通过上述实例可以看出，国内的3D打印在建筑工程领域的应用已经走在了世界的前列。

六 3D打印在建筑工程领域的前景及所面临的现实问题
3D打印技术在建筑工程领域仍然有很长的路要探索，其技术和材料上的局限性导致3D打印仍属于概念及实验阶段。虽然属于它的市场空间不可估量，但要将其投入商业化发展，还需要进行大量的前期科研工作，以下对3D打印技术进行产业化发展应用所存在的问题谈谈一些粗浅的看法：

1、3D打印技术跟建筑行业的技术融合、理论研究未能跟上。众所周知，钢结构体系和钢筋砼结构体系已经过上百年的发展和演变，经过全世界各国无数次的应用检验和地球上的各种恶劣自然灾害情况的检验，已运用到民用建筑、公用建筑、桥梁隧道、公路等各行业，各个国家都已有一整套完善成熟的技术标准、规范、规程，在理论上形成配套支持，但涉及3D打印建筑的标准、规范运用仍然未有政府研究机构在理论上着手推进。同样在学术领域的理论研究，在这一块仍然是空白。

2、对于新材料应用于3D打印适应性的评估。随着新材料的不断发明及被引用至3D打印行业。首先应对这些材料用于3D打印的适用性进行定量定性的研究和评估，即材料的特性、力学性能指标、物理性能指标、化学性能指标（耐腐性、耐久性、耐高温、耐寒等）、颗粒大小、粉末颗粒可可溶性、热学、光学等特征，这一系列材料的特性将成为达到3D打印产品所要求的机械性能，特征分辨率、加工精度和表面质量的瓶颈。

3、现有的3D打印材料虽然较多，但适合建筑工程行业的材料仍然受到限制，另外现实中可用于建筑工程的某些金属、氯氧镁水泥等已有材料，比较昂贵且稀少，这跟相关配套的材料产能有很大关系，如果这种材料未被市场全面认可和接受，则大范围的市场化投产也是不可能的，所以材料的种类在未来很大一条路上仍然是3D打印应用的一大障碍。

4、对3D打印构件的材料性质、力学性能的研究：3D打印生产出的构件是按层叠加的，其材料的组成和性能都不同于传统加工成熟的构件，因此还需要大量相应的材性试验来获取3D打印构件的各项性能指标、力学性能，例如材料的抗剪、抗弯、抗拉、抗扭、拉压等特性。

5、对于3D打印的局部构件与主体结构的连接方式的研究：包括连接的方式、强度、延性，同时由构件拼装起来的主体结构的整体抗震、抗风，是否满足现行规范的要求，还有耐冲击及撞击性也是无相应试验参数来检验。

6、3D打印的尺度的局限。对建筑工程的产品来说，其几何形状的大不是一般产品可比拟，大空间、大体量、大跨度等都是以“大”为特点，3D打印还能否再进一步拓宽其制作的尺度，在一定程度上决定了其应用的广度，建筑产品或构件体量越大，机器输出的尺寸越大，打印机本身就越大，那么喷头的行程要保证能覆盖整体平面尺寸的范围，这就意味着机器的尺寸是相当惊人的。

7、3D打印的综合成本研究，包括其本身生产成本的估计及控制，以及与传统施工方法怎样组合使用能达到利益最大化等研究，如果能更进一步探索并解决这些问题3D打印在土木领域的应用将会更加现实。

七 结语
建筑史在很大程度上是设计和建造技术史，技术手段往往决定了建筑的设计表达方式，也决定了建筑的空间形式，进而成为影响建筑观念和建筑美学的重要因素。理论上，3D打印技术可以解决一切建筑建造技术问题，但3D打印技术与建筑工程的融合不是一朝一夕就可解决，创新与传统如何互为补充、互相渗透、有机整合，是每一位热爱本行业的工程人员都需要深刻思考的事情。有一点可以肯定，3D打印技术势必在建筑领域会掀起一场划时代的革命。相信在3D打印的世界里，建筑师、工程师和建筑工人将借助科技之力，将建筑与3D打印结合，完成对自然的再造，建造更加美好的生活，有趣的未来。这是一个创造奇迹的时代，“nothing is impossible”，不是吗！

编辑：南极熊
来源：《基层建设》2015年23期
作者：战毅 彭丽珍