3D打印技术是通过类似“打印”原理的机械设备, 采用分层加工、叠加成型的方式逐层加材料来制造出立体实物的技术, 相比传统的制造模式, 这种“增材制造”模式在节约材料、节省时间、减少废料的产生等方面有诸多优势。尽管该技术在材料和工程技术方面的研究应用已取得了不少进步, 但从整个建筑行业中的设计建造实践来看, 它仍处于待开发的状态。

2016年8月, 住房和城乡建设部在《2016~2020年建筑业信息化发展纲要》中指出“积极开展建筑业3D打印设备及材料的研究。结合BIM技术应用, 探索3D打印技术运用于建筑部品、构件生产, 开展示范应用”。可见, 在未来几年内以推动“研究”3D打印技术, 结合信息化技术, 以及生产“部品”和“构件”为主要实践方向。根据国内外一些学者的研究与讨论, 该技术面临以下四点问题。

第一, 3D打印建筑所面临最大的问题是, 在我国乃至国际上还未有具备执行力的相关行业规范。虽然在建筑的空间组织方面, 譬如空间尺寸、平面布局、管线排布等, 3D打印的建筑大可参照现行的一系列标准, 而当涉及到建筑材料和结构相关的可靠度、荷载、隔热保温、抗灾抗震等领域, 仍缺少对应3D打印建筑可借鉴的各种指标。现已有少量实验能证明3D打印建筑部件的部分理化性能与某些现有建筑材料相当, 经过适当的折算可用于房屋围护墙等构件。不难想象, 各种新材料最终都能逐步地获得相应的使用标准。但就目前而言, 针对3D打印这种新型设计建造模式的规范相对滞后, 使相关实践面临项目各方责任不明确, 各项审核验收难以执行。

第二, 3D打印材料既要保证自身强度, 又要保证能以液态形式流畅地“打印”出来, 且还需满足打印过程中能快速凝结的性能要求。因此, 目前的建筑打印材料在种类上十分有限。现阶段的材料主要以改良的特种水泥为基料, 辅以石膏等作为胶凝材质, 并加以增强玻璃纤维等复合调凝剂来控制混合物的物理状态。尽管这些材料成本不高, 也能满足一定的强度和耐久度要求, 但在实际的建造过程中仍免不了按“配筋砌体”的标准加入钢筋等材料。在此限制下, 不论在建筑的整体造价还是施工工期方面, 3D打印原本所能突显的优势也所剩无几。

第三, 3D打印建筑仍存在不少工艺问题。譬如, 相比使用树脂、塑料、金属粉末等打印的轻型工业产品, 基于水泥的建材打印工艺不够精细, 再加上逐层堆叠的打印对材料表面粗糙度的要求, 使得建筑物的美观程度大打折扣。再者, 鉴于打印机构造及其工作原理, 打印的建筑物受到严格的尺寸限制。另一方面, 3D打印建筑容错性极低, 其打印过程不可逆, 这无疑增加了设计和技术操作上的难度。当然, 尺寸上的限制和容错率过低的问题可以通过小型部件的打印并加以人工装配得以解决, 但这与传统工业制造和施工过程相比也并无不可替代的优势。

第四, 围绕着传统建造技术早已形成了相当完整的工业体系和产业链。这意味着在这个庞大的供需关系中, 各大利益相关者团体已经建构起了较为成熟而高效的沟通和运作模式。当然其中也不乏诸如工程延期甚至“烂尾”等情况发生, 但它们很少是纯粹由工程技术的原因所造成的。而3D打印仅作为一种新的建造技术, 并不能切实地解决目前对工程进度和质量影响最大的资金、政策、法规等方面的重点问题。在经济和社会层面, 在一项新技术注入一个行业的同时也意味着, 它需要重新协调众多参与者和相关者的利益, 需要需求方具有一定的心理接受程度, 从而在竞争激烈的市场中占得一席之地。在如此严苛的市场环境下, 国内也仅有“盈创”一家公司在该领域小有建树。盈创相关人士表示, 尽管该技术的应用和发展潜力已广为各界所宣传, 前来参观学习者络绎不绝, 但很少能真正有同开放商或投资者在实践上的合作出现。

面临以上种种阻碍, 3D打印建筑所具有的优势未能真正体现出来。当然, 在各方面的推动下, 针对于3D打印建筑景观的规范正在制定的过程中, 新材料的研发也在不断地进行中。工艺方面, 新的“盒外建造”技术已得到应用, 能很好地解决有关建造尺寸、精度、工期、成本、美观等建造技术方面的问题。然而以上的种种努力仍未能使3D打印技术在具体应用中凸显其本质上的优势。因此在目前该技术仍仅多用于赈灾重建时所需的临时建筑, 在一般建筑表皮、部件和装饰, 以及作为先锋艺术的展示上, 显得较为局限。譬如, 当下盈创与开发商达成的合作也仅以小区的围墙、景观小品、道路、及一些简单的基础设施为主, 还未能涉及真正的建筑工程。

有关政策法规、材料技术、工程技术、和社会经济四个层面的各个难点如迷雾般笼罩着3D打印建筑的前景。其中所显现的这些缺陷都是基于传统的建造工程及产业的角度而言的。相比传统的建造技术, 3D打印建筑的优势主要可以归纳成三个方面。第一, 节省资源是3D打印在经济效益方面最为突出的优势之一。增材制造模式本身就具备减少材料浪费的优点, 且打印材料可以重新回收利用废弃建材, 甚至可以实现就地解决原先场地建筑废料的问题。第二, 3D打印可以简化从设计到完工之间的大量程序。从原理上看, 它可以实现设计施工一体化, 并可以减少对施工团队水平的依赖, 从而保证稳定的工程质量。即使采用建筑部件打印而后现场装配的建造技术, 亦可大大缩短现场工作时间和人力成本。第三, 3D打印建筑最具革命性的优点在于, 它不必拘泥于传统的建筑类型和标准化的模数制, 从而构建出传统建造工艺无法完成或难以想象的物理形态。综合来看, 这几点优势还同BIM及参数化设计等技术有着良好的结合能力。

从它自身的增材制造的建造思想看, 它不必成为传统建造技术的替代或对抗, 而大可与之平行发展, 相辅相成。因此这并不意味着它们两者之间存在必然的价值冲突或矛盾。为此, 通过对上述缺陷的理解并结合其现有的优势, 可为之提供一系列发展策略, 并在此基础上探讨3D打印技术在当今的应用价值 (表1) 。

以上策略呈现出三个不同阶段的思考与实践。第一阶段主要以“避重就轻”为主导原则, 即避开那些在规范上需要参照硬性标准的结构与部件的制造, 转而承担非承重抗压类的各种部件的生产。这包括了建造临时庇护所、建筑物表皮、装饰物、景观小品、景观构筑物、户外家具等一系列现今为止较为成熟的应用。3D打印可根据现场的条件灵活地调整部件的形态与样式, 选取经济实用的材料, 从而降低特殊构建的制造成本, 减少资源的浪费, 并“因地制宜”地突出地方建筑景观的独特性。譬如这座位于荷兰阿姆斯特丹, 由DUS Architects设计, 建于2016年的临时“欧盟建筑”的表皮和座椅皆采用了3D打印技术制造 (图1) 。该建筑所在地原位帆船建造场, 其表皮的曲线形态造型即参照了这一点, 以凸显场地的历史记忆。使用3D打印能相对传统建造方式以较低的成本使该表皮与座椅能在凹龛处完美切合, 为人们提供休息和庇护的场所。由于该建筑的临时性, 在荷兰担任欧盟轮值主席国结束后将被全面回收, 因此打印材料选用了可分解的生物塑料, 以便使其能被重新利用于打印。可见, 类似于“欧盟建筑”的一系列较为保守的做法, 适用于大量而小型的建造实验, 且根据实验的反馈进一步做好技术上的调整, 为第二阶段的发展做好市场心理上的铺垫。

3D打印在第二阶段的发展主要致力于实现传统建造技术所不能达成的具有复杂特殊曲面形态的建筑、景观、设施, 及其组成部件。在医疗领域, 使用3D打印技术制造人体器官、骨骼、组织结构等已不鲜见。这些替代品具有传统工业产品在形态和质量上都无法企及的高复杂性、高针对性和高个体化特征。相应地, 当建筑、景观和设施的形态需要在整体上精确地契合某种地形、光照、水文等条件时, 其制造工艺和过程的复杂程度是基于分工合作的传统建造技术所难以实现的。图2所示的是由3D打印的带有容器的特殊砖块, 其灵活多变的形式可作为有垂直绿化需求的建筑表面和景观构筑物的基本构成。同样的概念可广泛应用于生态修复工程和历史文化遗产的修缮与再利用, 使新的设施和构筑物能完好地适应独特的地理和人文环境。

第三阶段是结合BIM和参数化设计技术, 使用3D打印建造能突破人类思维局限的形态与结构。目前, 不管是BIM的应用还是参数化设计, 抑或是两者的结合, 都无法完全回避传统施工的可操作性、建造水平、时间和人力成本等难点。但加入了3D打印技术, 尤其是盒外打印, 就能突破这一系列的限制。这也意味着设计实践自此才能真正摆脱传统建造工艺水平的束缚而实现从目标到成品的无缝衔接。如此产生的新型建筑、构筑物和设施也能比以往更好地契合当地生态、地理和社会环境。当然, 这一阶段需要3D打印在相关规范的制定、材料和建造工艺等各方面取得长足的进步后才能实现。

不难发现, 如前文所述的技术、法规、市场、经济等问题不是独立存在的。它们大多相互纠缠在一起, 而为了以上三个阶段的逐步实现, 人们难以通过针对的方法对其逐个进行解决。譬如, 因为规范建设的缓慢, 直接导致了相关的实践无法顺利获得执行, 而经验和实例的缺乏则进一步阻碍了规范的推进, 同时也抑制了市场接受度的提升。研发团队因此难以获取必要的资金实现对新技术的开发和新应用的支持, 而在材料和工程技术得不到更新的局面下, 3D打印在实际应用方面也难有突破性的发展。

因此, 该技术的应用不能仅依靠设计师、企业或政府单方面的推动, 而需要社会各个阶层和团体的协作。通过表1的分析可知, 基础设施的营建, 社会各界的积极宣传, 对自然与社会环境的积极作用, 是3D打印在建筑、景观和城市建设方面应用中最为重要的发展对策。不管是从该技术所具备的社会效益等优势还是自身的缺陷出发, 由政府引导和企业牵头的公益事业或许是栽培3D打印技术较为适宜的土壤。

首先, 该技术在应用方面已有不少非营利性质的资金投入, 并具备扩大再生产的前提条件。其次, 作为非营利性质的公益事业, 它能取得较高的社会关注, 使整个研发和实践过程保持高度公开化和透明化, 从而逐步提高市场的接受程度。第三, 通过政府的正确引导, 能让新事物的发展在政府公信力的支持下不断提升消费者的信任感, 并加速推进相关法规的建设。第四, 该技术牵涉行业与社会团体众多, 如地产、设计、建材、建筑等行业, 科研机构, 以及环保相关的社会组织等, 而采用公益事业模式, 虽不能以经济利益为主要驱动, 但其促生的社会责任感和企业团体的影响力能更有效地联合各方进行协作。同时, 多元化的运作主体也能更广泛地接触到市场的方方面面, 并从中获取新的需求和发展思路。公益事业是有效地整合社会资源的一种模式, 对具备社会价值的新兴事物的成长有着较强的辅助和推动能力, 因而它能在一定程度上推进3D打印技术在建造领域的发展。

在3D打印技术日趋成熟的条件下, 3D打印技术将摈弃一些传统的束缚, 面向更为自由形态的发展;同时也要求人们采用全新的视角来看待建成环境本身, 并以全新的思路来进行设计实践。首先, 它颠覆了传统的设计过程——项目脱离了传统图纸的绘制过程, 从设计一开始就进入数字模型的状态。而这点也恰恰填补了当今建筑信息模型和参数化设计在实施方面的缺憾。其次, 被称为“增材制造”的3D打印技术采用绿色环保材料 (通常由建筑废材回收制成) , 且在施工中实现粉尘和垃圾的零排放。这要求相关从业者充分具备对不断涌现的各种新材料的理解、筛选、应用能力。

20世纪以来, 随着信息、经验和知识井喷式的增长和积累, 人类对自身与周围生活环境存在革命性的认知转变, 我们逐渐认识到高效利用资源的重要性, 良好的物质和社会环境对实现自身价值的重要性, 以及创新的重要性。3D打印技术连同BIM和参数化设计一起, 正是基于该认知的应运而生的产物。在我国城镇化进程的转折时期, 对技术创新的渴求远甚于以往。这些新技术的组合在有效解决生态修复、旧城改造、空间秩序的重组、以人为本的可持续发展、以及公共生活和服务的提升等诸多问题中必占有一席之地。