3D打印原理是利用软件建立三维模型,按照某一坐标轴进行逐层分解,再通过特定设备,将材料逐层制作成与三维模型一致的实体构件,该技术也被称为增材制造(Material additive manufacturing)^[1]。3D打印技术应用于建筑业可打破传统设计在建筑形状上的禁锢,打印技术更立体,形状更具多样性,其众多优势吸引了国内外聚焦^[2]。

传统建筑技术与3D打印技术相比,人工投入量大、建设周期长、环境污染重、资源浪费严重、易发生安全事故、产生较多建筑垃圾。3D打印技术可很好地解决这些问题,且当前该技术已有能力“打印”整栋房屋^[3]。

荷兰“盖房者”采用3D技术呈现出世界上第1栋打印建筑,该建筑主体部分所用材料是混凝土,其他部分材料是可再生塑料,在符合建筑设计前提下,其绿色环保及美观度得到一致好评(见图1)。

2012年美国南加州大学海域美国航天局合作研发出“轮廓工艺”3D打印机,该机器可进行x、y、z轴的打印工作,一层层将整栋房子打印出来^[4]。目前“轮廓工艺”已可使用水泥混凝土作为打印材料(见图2)。

英国奥雅纳(ARUP)3D打印技术主要用于打印钢结构,3D打印钢结构可减少75%的CO₂排放,使材料消耗减少40%^[5](见图3)。

国内3D打印技术水平较高的企业是中国盈创建筑科技(上海)有限公司,该公司打印出全球首栋精装1100m²的3层楼别墅用时7d(见图4a);全球首座6层15m高的住宅楼10d内安装完成(见图4b);2015年沙特阿拉伯邀请中国盈创5年内于当地建造150万栋房屋;2016年盈创为迪拜政府打印出首批3D政府办公楼(见图4c),此外还打印出供排水系统;2018年3月9日《福布斯》双周刊网站刊登文章指出中国在3D打印界的世界领先地位。上海枫泾作为首个3D打印建筑试验区已成功打印首个公交站台并投放使用(见图4d)。

目前3D打印建筑应用较成熟的领域包括2方面。

1)建筑设计提前做出完整的建筑模型,也可用于城市规划模型中。于雷^[6]指出3D打印机可以通过1:1实体打印实现其在设计阶段的辅助功能。

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统、精装修及主体结构,主要应用技术包括“盖房者”“轮廓工艺”“奥雅纳”及“中国盈创3D打印”技术。

1)节约资源3D打印技术是把材料热熔后重新组合,避免材料浪费,减少中间物耗。在人力资源上,3D打印技术仅需几个工人操作计算机即可,大大减少人力资源投入^[7]。

2)实时打印3D打印与传统建筑模式相比有更大的适用性,即实时打印,其不需先建设房屋再售卖,而是售卖后直接打印,顾客在短时间内就可见到实体建筑,不存在库存过多问题。

3)设计灵活3D打印技术利用计算机成图,设计只需计算机作画即可打印,每人都能成为设计师,还可完全还原设计师的奇思妙想。

4)参与方信息不对称3D打印由程序启动,信息掌握在3D打印方手中,对业主信息管理造成阻碍,也因信息交流不及时造成返工问题,从而延误建设工期。业主方因缺乏相关信息导致对3D打印方的监督力度被削减,产品质量取决于打印方的自律程度。

1)降低成本3D技术被引入建筑市场后降低了人工成本与机械设备采购成本,1台3D打印机的价格为10万～15万美元^[8],可多次循环使用。

2)缩短工期上文提到许多精装房只需7d完成,直接拎包入住。目前全球3D打印建造速度较快,比传统建筑技术快10倍以上。

3)安全性能高3D打印技术施工时基本不需工人现场施工,因此施工过程中的坍塌、高空坠物和坠落事件皆不存在,使工作环境更安全。

4)保护环境3D打印使用的材料多为可再生,如塑料和建筑废渣的二次利用,有利于环境保护。

1)技术不成熟目前应用的3D打印材料种类较少,有待提高,对材料快速凝结及适合高层、高强度的要求增加了新材料开发难度。

2)人才短缺3D打印是新技术,接触该技术的人较少,大都处于观望态度。人才是行业发展的永恒动力,人才缺乏限制了行业发展速度。

3)参与方信息不对称3D打印信息掌握在打印方手中,对业主信息管理造成阻碍。

1)无地下室的低层别墅目前,3D打印建筑局限于中低层,无法满足中高层建筑要求;3D打印技术仅适用于地面工程建设;对于低层别墅而言,业主可加入符合自身风格的特色元素,不仅增加房屋的美观度,而且可体现拥有者的个性,真正实现房屋定制。

2)公共建筑3D打印建筑构件可在工厂打印建造,再进行现场组装^[9],因此3D打印建筑尤其适合公交站台、公共厕所、休息长椅等建筑,其材料性能既能满足要求,又能随着规划的改变进行拆迁重新组装二次利用。不仅节约时间,而且可减少财政支出。

3)应急性建筑3D打印技术可快速打印新房屋且自动安装各种设施,大大改善救助人员的医疗环境;可快速打印出学校、公厕等,以最快速度使灾区人民实现正常生活;抢险救灾后,还可将建筑拆卸到其他地方,重新组装二次利用^[10]。

1)室内装修3D打印技术比一般工艺更美观、环保,可根据客户需求对装饰品进行定制,不仅提高产品的美观程度,而且更契合当下社会追求独特个性的趋势。3D打印进入装修市场将为室内精装带来新改变。

2)高层建筑目前3D打印还未进入高层建筑领域,因缺乏完善的验收规范及无法改善材料强度等因素制约其发展。若未来能将传统建造方式与3D打印方式相结合,不仅为3D打印建筑更好进入建筑市场奠定基础,而且大大加快建设速度。随着技术水平的提高,3D打印或将在未来研发出钢筋材料或其他高强度材料,以促进其在建筑行业的发展。

3D打印建筑技术目前仍处于起步阶段,尚有亟待解决的问题,但未来3D打印技术一定能在室内装修和高层建筑建造上发挥重要作用,若将3D打印与装配式建筑相结合,利用3D打印技术打印构件再运至现场装配,将给建筑业带来新一轮变革。