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3D打印在建造房屋、橋梁等大型項(xiàng)目領(lǐng)域的潛力到底是什么？其實(shí)答案并不神秘，3D打印技術(shù)自由造型的技術(shù)特點(diǎn)打開(kāi)了其在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的神奇之旅，那就是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的從力學(xué)到聲學(xué)，再到美學(xué)的結(jié)合。本期，3D科學(xué)谷特別集中分享目前3D打印建筑全球發(fā)展現(xiàn)狀。

3D打印建筑的技術(shù)邏輯

? 3D科學(xué)谷白皮書(shū)

根據(jù)3D科學(xué)谷，3D打印技術(shù)可以讓建筑結(jié)構(gòu)顛覆傳統(tǒng)建筑的理念。不同于傳統(tǒng)直線形的建筑，3D打印能夠創(chuàng)建曲線形的建筑物。通過(guò)3D打印技術(shù)打造建筑結(jié)構(gòu)的方式被稱為“輪廓工藝”，原理其他3D打印機(jī)類似，通過(guò)擠出機(jī)將材料一層層打印出來(lái)，但是擁有更龐大的體積。輪廓工藝可以3D打印出房子的外墻，并且可以鋪設(shè)混凝土層，流出水、電、氣管道所需的空間。通過(guò)3D打印的輪廓工藝可以實(shí)現(xiàn)建筑中的空心結(jié)構(gòu)，該方法比傳統(tǒng)方法需要消耗的建筑材料更少。

安全性與智能化兩不誤的發(fā)展方向

雖然3D打印房子的安全性以及保暖、防潮等性能還需要接受時(shí)間的檢驗(yàn)，但是3D打印可以加快工期，通過(guò)讀取建筑物的數(shù)字化模型來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化房屋建造的方式，無(wú)疑將為建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)降本、環(huán)保和實(shí)現(xiàn)顛覆性的建筑結(jié)構(gòu)開(kāi)辟了一條全新的道路。

? ICON

此前，3D打印的純混凝土容易發(fā)生斷裂，因此在建筑物中混凝土需要與鋼筋混合在一起使用。新興的3D打印建筑技術(shù)也是一樣的道理，在進(jìn)行混凝土3D打印時(shí)要不斷停止，在承重部分插入鋼筋。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，在這方面，德國(guó)的纖維專家及發(fā)明家Kai Parthy，正嘗試讓3D打印建筑過(guò)程更簡(jiǎn)化和自動(dòng)化，做法是將可塑性材料BMSF（仿生網(wǎng)鋼纖維）在打印過(guò)程中自動(dòng)插入到混凝土材料中，以增強(qiáng)建筑物的硬度和韌性。

另一方面，3D打印更加符合五維建筑信息模型（5D BIM）的發(fā)展趨勢(shì)，五維建筑信息模型（5D BIM）的概念是在3D建筑信息模型基礎(chǔ)上，融入“時(shí)間進(jìn)度信息”與“成本造價(jià)信息”，形成由3D模型+ 1D進(jìn)度+ 1D造價(jià)的五維建筑信息模型。也就是說(shuō)5D BIM集成了工程量信息、工程進(jìn)度信息、工程造價(jià)信息，不僅能統(tǒng)計(jì)工程量，還能將建筑構(gòu)件的3D模型與施工進(jìn)度的各種工作（WBS）相鏈接，動(dòng)態(tài)地模擬施工變化過(guò)程，實(shí)施進(jìn)度控制和成本造價(jià)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5D BIM建筑信息模型是建筑業(yè)信息化技術(shù)、虛擬建造技術(shù)的核心基礎(chǔ)模型，通過(guò)五維建筑信息模型，可以實(shí)現(xiàn)以“進(jìn)度控制”、“投資控制”、“質(zhì)量控制”、“合同管理”、“資源管理”為目標(biāo)的數(shù)字化三控兩管項(xiàng)目總控系統(tǒng)。

與3D打印技術(shù)發(fā)展相輔相成的其他技術(shù)也決定了3D打印在建筑領(lǐng)域的發(fā)展前景，包括預(yù)組裝的技術(shù)（用于模塊化建筑部件的場(chǎng)外建設(shè)）和通過(guò)機(jī)器人組裝現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的能力，特別是那些重復(fù)性的和可預(yù)測(cè)的活動(dòng)，如平鋪、砌磚、焊接、閥芯制造、拆遷和混凝土回收利用等工作。

根據(jù)麥肯錫，未來(lái)的建筑很大一部分與“五維建筑信息建模（5D BIM）”的發(fā)展息息相關(guān)，這意味著建筑公司可以匯集他們目前不同的3D建模，預(yù)算規(guī)劃和進(jìn)度計(jì)劃等多維度的信息，通過(guò)軟件工具將這些信息整合到一個(gè)將整個(gè)過(guò)程視為一體的單一系統(tǒng)中。5D BIM平臺(tái)將允許公司即時(shí)評(píng)估3D結(jié)構(gòu)、成本和時(shí)間方面的某些變化將會(huì)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目帶來(lái)的影響。

據(jù)法國(guó)知名建筑公司圣戈班集團(tuán)統(tǒng)計(jì)，3D打印技術(shù)可以為企業(yè)節(jié)省大約60%的勞動(dòng)時(shí)間和80%的勞動(dòng)力。通過(guò)3D打印技術(shù)，還可實(shí)現(xiàn)建造過(guò)程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效控制建筑廢料的產(chǎn)生，降低對(duì)環(huán)境的影響。設(shè)計(jì)師利用3D打印技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的設(shè)計(jì)理念，有助于建筑設(shè)計(jì)更富創(chuàng)造性。

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（人居署）數(shù)據(jù)顯示，到2030年全球大約將有30億人需要改善住房環(huán)境，這意味著每天全球需要新建9.6萬(wàn)套住房。面對(duì)巨大的市場(chǎng)需求，迫切需要一種成本更低、建筑效率更高、安全性更強(qiáng)的建筑模式。據(jù)專業(yè)機(jī)構(gòu)報(bào)告顯示，全球3D打印建筑市場(chǎng)規(guī)模到2027年將達(dá)到5.21億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率接近25%。歐洲數(shù)字建筑領(lǐng)域?qū)＜腋窭俳z·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。

從房屋到小型辦公樓的3D打印

今年的3D打印建筑案例包括迪拜的辦公大樓，德國(guó)的民居，美國(guó)的民居，中國(guó)的民宅及橋梁，以及NASA的火星居住地暢想。

l 書(shū)屋

清華大學(xué)建筑學(xué)院徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)建造了上海寶山智慧灣科技園的3D打印書(shū)屋，書(shū)屋是上?！八囆g(shù)之橋”空間的一部分。通過(guò)機(jī)器人3D打印設(shè)備進(jìn)行混凝土材料的逐層堆疊打印從而建成這一曲面形體的圖書(shū)小屋，該圖書(shū)小屋總面積約30平方米，可容納15人進(jìn)行各種活動(dòng)。用于該書(shū)屋打印的材料為團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的纖維混凝土其間不加鋼筋、建造中不用模板，書(shū)屋的打印用了2臺(tái)機(jī)器臂打印系統(tǒng)，一臺(tái)原位打印建筑基礎(chǔ)及主體結(jié)構(gòu)，另一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制打印弧墻及穹隆頂，每臺(tái)打印設(shè)備需要2人操作，施工過(guò)程中總共需要4-5位施工人員參加。

3D打印上海寶山區(qū)智慧灣科技園書(shū)屋

? 清華大學(xué)

書(shū)屋的墻體構(gòu)造采用空心墻體設(shè)計(jì)，其間填充保溫砂漿形成保溫隔熱墻體，該書(shū)屋的建筑表面有2種肌理。一種為疊層打印所形成的層疊表面，另一種為精心設(shè)計(jì)的編織圖案肌理，后者位于入口側(cè)墻，讓人具有細(xì)膩的感覺(jué)。該書(shū)屋的設(shè)計(jì)建造表明3D打印作為智能建造的一種方式不僅節(jié)省材料、節(jié)省人力，同時(shí)建造效率高、施工速度快并且可以實(shí)現(xiàn)不規(guī)則形狀的建筑建造，保證高質(zhì)量的建筑品質(zhì)。

l 德國(guó)民宅

德國(guó)PERI 早在 2018 年就收購(gòu)了 COBOD 的股份，此后一直使用 COBOD 的 BOD2 打印機(jī)在德國(guó)和美國(guó)打印建筑物。據(jù)悉，由于PERI 在全球和國(guó)內(nèi)都是混凝土手工澆注模板設(shè)備的領(lǐng)先供應(yīng)商之一，因此該公司參與 3D 建筑打印是一項(xiàng)顯著的發(fā)展，標(biāo)志著傳統(tǒng)建筑行業(yè)已經(jīng)了解自動(dòng)化和數(shù)字化是建筑行業(yè)的未來(lái)。除其他技術(shù)外，這顯然會(huì)影響機(jī)器人 3D 建筑打印機(jī)的使用。

PERI 3D打印了位于北萊茵-威斯特法倫州 Beckum 的兩層獨(dú)立住宅。兩層樓擁有160平方米的居住空間，該結(jié)構(gòu)是使用丹麥制造商 Cobod 的BOD2打印機(jī)完成的。它由海德堡水泥公司開(kāi)發(fā)的被稱為i.tech 3D的材料組成，得到了北萊茵-威斯特法倫州的支持。

德國(guó)北萊茵-威斯特法倫州 Beckum 的兩層獨(dú)立住宅

? PERI

l美國(guó)住宅項(xiàng)目

東17街住宅項(xiàng)目區(qū)是一套創(chuàng)造性的3D打印房屋，位于德克薩斯州奧斯汀市，是美國(guó)發(fā)展最快的城市之一。該項(xiàng)目房屋由美國(guó)堪薩斯城開(kāi)發(fā)商3Strands公司開(kāi)發(fā)，由 Logan Architecture 設(shè)計(jì)，建筑技術(shù)公司 ICON 提供3D打印技術(shù)、軟件和材料建造。

ICON 使用 Vulcan 打印機(jī)3D打印房屋

? ICON

首批房屋共有四種不同類型的住宅，房屋設(shè)計(jì)要包括大型有頂前廊、寬敞的前院、停車場(chǎng)和量身定制的室內(nèi)設(shè)計(jì)，極具建筑美感。

在房屋第一層，墻體采用一種名為 Lavacrete 的水泥狀材料3D打印而成，打印大約需要一周時(shí)間，后填充入絕緣材料和鋼材，能夠使房屋更加節(jié)能，同時(shí)又比常規(guī)建造的建筑物更加防火、防洪和防大風(fēng)。在第二層，一個(gè)有著傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，被金屬和木材包裹的體量位于3D打印的結(jié)構(gòu)上。

l迪拜辦公大樓

迪拜市政府用樓將在建成之后成為當(dāng)時(shí)世界上最大的3D打印建筑其高達(dá)9.5米，項(xiàng)目面積為640平方米。此項(xiàng)目由總部設(shè)在美國(guó)的ApisCor公司來(lái)主持設(shè)計(jì)建造，而其結(jié)構(gòu)也是在現(xiàn)場(chǎng)用3D打印技術(shù)直接建起的。Apis Cor是建筑工程行業(yè)中第一家開(kāi)發(fā)3D打印專用設(shè)備的公司，為迪拜市政府用樓建造，完成了一座兩層的行政大樓中的3D打印墻體結(jié)構(gòu)，這創(chuàng)新的3D打印機(jī)使建筑結(jié)構(gòu)可以直接現(xiàn)場(chǎng)建造，無(wú)需任何額外的組裝工作，此項(xiàng)目面積延展640多平方米，可移動(dòng)的3D打印裝置通過(guò)起重機(jī)在場(chǎng)地進(jìn)行移動(dòng)定位，以此覆蓋整個(gè)建造區(qū)域。事實(shí)上，3D打印整個(gè)建筑的墻體結(jié)構(gòu)，只需要3個(gè)工人和配套的機(jī)器裝置。

迪拜政府大樓

此建筑項(xiàng)目的地基是傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)而墻壁是3D打印建造的。加固的方法是“用鋼筋和普通混凝土來(lái)人工填充由3D打印的柱子模板”。在這個(gè)項(xiàng)目中使用的3D打印材料是由ApisCor開(kāi)發(fā)并在當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的一種基于石膏制成的混合物。

迪拜政府大樓

lNASA的暢想

如果未來(lái)人們移居火星，房子會(huì)建成什么樣子？美國(guó)航空航天局（NASA）通過(guò)組織比賽，進(jìn)行成奇思妙想的暢想。

NASA太空建筑暢想

NASA火星表面棲息地

暢想通常會(huì)在未來(lái)的某一個(gè)時(shí)刻悄悄的變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，3D打印將如何與建筑業(yè)發(fā)生深度的結(jié)合，3D科學(xué)谷將保持持續(xù)關(guān)注。

參考資料：

1.《歐洲多國(guó)探索3D打印建筑》/人民日?qǐng)?bào)

2.《機(jī)器人3D打印混凝土?xí)荩迦A大學(xué)徐衛(wèi)國(guó)教授團(tuán)隊(duì)制作》/土木視界

3. 《3D打印將重新定義住房 》/FRAME構(gòu)架

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