文/重慶大學(xué)管理科學(xué)與房地產(chǎn)學(xué)院 張 靜 薛雨桐

0 引言

3D打印原理是利用軟件建立三維模型，按照某一坐標(biāo)軸進(jìn)行逐層分解，再通過(guò)特定設(shè)備，將材料逐層制作成與三維模型一致的實(shí)體構(gòu)件，該技術(shù)也被稱(chēng)為增材制造 （Material additive manufacturing）[1]。3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑業(yè)可打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在建筑形狀上的禁錮，打印技術(shù)更立體，形狀更具多樣性，其眾多優(yōu)勢(shì)吸引了國(guó)內(nèi)外聚焦[2]。

1 3D打印技術(shù)在建筑業(yè)的應(yīng)用背景

傳統(tǒng)建筑技術(shù)與3D打印技術(shù)相比，人工投入量大、建設(shè)周期長(zhǎng)、環(huán)境污染重、資源浪費(fèi)嚴(yán)重、易發(fā)生安全事故、產(chǎn)生較多建筑垃圾。3D打印技術(shù)可很好地解決這些問(wèn)題，且當(dāng)前該技術(shù)已有能力“打印”整棟房屋[3]。

2 3D打印建筑應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外

荷蘭“蓋房者”采用3D技術(shù)呈現(xiàn)出世界上第1棟打印建筑，該建筑主體部分所用材料是混凝土，其他部分材料是可再生塑料，在符合建筑設(shè)計(jì)前提下，其綠色環(huán)保及美觀度得到一致好評(píng)（見(jiàn)圖1）。

圖1 世界上第1棟打印建筑

2012年美國(guó)南加州大學(xué)海域美國(guó)航天局合作研發(fā)出“輪廓工藝”3D打印機(jī)，該機(jī)器可進(jìn)行x、y、z軸的打印工作，一層層將整棟房子打印出來(lái)[4]。目前“輪廓工藝”已可使用水泥混凝土作為打印材料(見(jiàn)圖2）。

英國(guó)奧雅納（ARUP）3D打印技術(shù)主要用于打印鋼結(jié)構(gòu)，3D打印鋼結(jié)構(gòu)可減少75%的CO2排放，使材料消耗減少40%[5]（見(jiàn)圖3）。

圖2 “輪廓工藝”打印機(jī)

圖3 ARUP打印的復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)

2.2 國(guó)內(nèi)

國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)水平較高的企業(yè)是中國(guó)盈創(chuàng)建筑科技（上海）有限公司，該公司打印出全球首棟精裝1100m2的3層樓別墅用時(shí)7d（見(jiàn)圖4a）；全球首座6層15m高的住宅樓10d內(nèi)安裝完成（見(jiàn)圖4b）；2015年沙特阿拉伯邀請(qǐng)中國(guó)盈創(chuàng)5年內(nèi)于當(dāng)?shù)亟ㄔ?50萬(wàn)棟房屋；2016年盈創(chuàng)為迪拜政府打印出首批3D政府辦公樓（見(jiàn)圖4c），此外還打印出供排水系統(tǒng)；2018年3月9日《福布斯》雙周刊網(wǎng)站刊登文章指出中國(guó)在3D打印界的世界領(lǐng)先地位。上海楓涇作為首個(gè)3D打印建筑試驗(yàn)區(qū)已成功打印首個(gè)公交站臺(tái)并投放使用（見(jiàn)圖4d）。

圖4 國(guó)內(nèi)外3D打印建筑應(yīng)用

2.3 3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

目前3D打印建筑應(yīng)用較成熟的領(lǐng)域包括2方面。

1）建筑設(shè)計(jì) 提前做出完整的建筑模型，也可用于城市規(guī)劃模型中。于雷[6]指出3D打印機(jī)可以通過(guò)1：1實(shí)體打印實(shí)現(xiàn)其在設(shè)計(jì)階段的輔助功能。

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統(tǒng)、精裝修及主體結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用技術(shù)包括“蓋房者”“輪廓工藝”“奧雅納”及“中國(guó)盈創(chuàng)3D打印”技術(shù)。

3 3D打印建筑應(yīng)用分析

1）節(jié)約資源 3D打印技術(shù)是把材料熱熔后重新組合，避免材料浪費(fèi)，減少中間物耗。在人力資源上，3D打印技術(shù)僅需幾個(gè)工人操作計(jì)算機(jī)即可，大大減少人力資源投入[7]。

2）實(shí)時(shí)打印 3D打印與傳統(tǒng)建筑模式相比有更大的適用性，即實(shí)時(shí)打印，其不需先建設(shè)房屋再售賣(mài)，而是售賣(mài)后直接打印，顧客在短時(shí)間內(nèi)就可見(jiàn)到實(shí)體建筑，不存在庫(kù)存過(guò)多問(wèn)題。

3）設(shè)計(jì)靈活 3D打印技術(shù)利用計(jì)算機(jī)成圖，設(shè)計(jì)只需計(jì)算機(jī)作畫(huà)即可打印，每人都能成為設(shè)計(jì)師，還可完全還原設(shè)計(jì)師的奇思妙想。

4）參與方信息不對(duì)稱(chēng) 3D打印由程序啟動(dòng)，信息掌握在3D打印方手中，對(duì)業(yè)主信息管理造成阻礙，也因信息交流不及時(shí)造成返工問(wèn)題，從而延誤建設(shè)工期。業(yè)主方因缺乏相關(guān)信息導(dǎo)致對(duì)3D打印方的監(jiān)督力度被削減，產(chǎn)品質(zhì)量取決于打印方的自律程度。

4 3D打印技術(shù)應(yīng)用優(yōu)劣勢(shì)

4.1 優(yōu)勢(shì)

1）降低成本 3D技術(shù)被引入建筑市場(chǎng)后降低了人工成本與機(jī)械設(shè)備采購(gòu)成本，1臺(tái)3D打印機(jī)的價(jià)格為10萬(wàn)～15萬(wàn)美元[8]，可多次循環(huán)使用。

2）縮短工期 上文提到許多精裝房只需7d完成，直接拎包入住。目前全球3D打印建造速度較快，比傳統(tǒng)建筑技術(shù)快10倍以上。

3）安全性能高 3D打印技術(shù)施工時(shí)基本不需工人現(xiàn)場(chǎng)施工，因此施工過(guò)程中的坍塌、高空墜物和墜落事件皆不存在，使工作環(huán)境更安全。

4）保護(hù)環(huán)境 3D打印使用的材料多為可再生，如塑料和建筑廢渣的二次利用，有利于環(huán)境保護(hù)。

4.2 劣勢(shì)

1）技術(shù)不成熟 目前應(yīng)用的3D打印材料種類(lèi)較少，有待提高，對(duì)材料快速凝結(jié)及適合高層、高強(qiáng)度的要求增加了新材料開(kāi)發(fā)難度。

2）人才短缺 3D打印是新技術(shù)，接觸該技術(shù)的人較少，大都處于觀望態(tài)度。人才是行業(yè)發(fā)展的永恒動(dòng)力，人才缺乏限制了行業(yè)發(fā)展速度。

3）參與方信息不對(duì)稱(chēng) 3D打印信息掌握在打印方手中，對(duì)業(yè)主信息管理造成阻礙。

5 發(fā)展前景

5.1 3D打印建筑適用建筑類(lèi)型

1）無(wú)地下室的低層別墅 目前，3D打印建筑局限于中低層，無(wú)法滿(mǎn)足中高層建筑要求；3D打印技術(shù)僅適用于地面工程建設(shè)；對(duì)于低層別墅而言，業(yè)主可加入符合自身風(fēng)格的特色元素，不僅增加房屋的美觀度，而且可體現(xiàn)擁有者的個(gè)性，真正實(shí)現(xiàn)房屋定制。

2）公共建筑 3D打印建筑構(gòu)件可在工廠(chǎng)打印建造，再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝[9]，因此3D打印建筑尤其適合公交站臺(tái)、公共廁所、休息長(zhǎng)椅等建筑，其材料性能既能滿(mǎn)足要求，又能隨著規(guī)劃的改變進(jìn)行拆遷重新組裝二次利用。不僅節(jié)約時(shí)間，而且可減少財(cái)政支出。

3）應(yīng)急性建筑 3D打印技術(shù)可快速打印新房屋且自動(dòng)安裝各種設(shè)施，大大改善救助人員的醫(yī)療環(huán)境；可快速打印出學(xué)校、公廁等，以最快速度使災(zāi)區(qū)人民實(shí)現(xiàn)正常生活；搶險(xiǎn)救災(zāi)后，還可將建筑拆卸到其他地方，重新組裝二次利用[10]。

5.2 3D打印建筑應(yīng)用前景

1）室內(nèi)裝修 3D打印技術(shù)比一般工藝更美觀、環(huán)保，可根據(jù)客戶(hù)需求對(duì)裝飾品進(jìn)行定制，不僅提高產(chǎn)品的美觀程度，而且更契合當(dāng)下社會(huì)追求獨(dú)特個(gè)性的趨勢(shì)。3D打印進(jìn)入裝修市場(chǎng)將為室內(nèi)精裝帶來(lái)新改變。

2）高層建筑 目前3D打印還未進(jìn)入高層建筑領(lǐng)域，因缺乏完善的驗(yàn)收規(guī)范及無(wú)法改善材料強(qiáng)度等因素制約其發(fā)展。若未來(lái)能將傳統(tǒng)建造方式與3D打印方式相結(jié)合，不僅為3D打印建筑更好進(jìn)入建筑市場(chǎng)奠定基礎(chǔ)，而且大大加快建設(shè)速度。隨著技術(shù)水平的提高，3D打印或?qū)⒃谖磥?lái)研發(fā)出鋼筋材料或其他高強(qiáng)度材料，以促進(jìn)其在建筑行業(yè)的發(fā)展。

6 結(jié)語(yǔ)

3D打印建筑技術(shù)目前仍處于起步階段，尚有亟待解決的問(wèn)題，但未來(lái)3D打印技術(shù)一定能在室內(nèi)裝修和高層建筑建造上發(fā)揮重要作用，若將3D打印與裝配式建筑相結(jié)合，利用3D打印技術(shù)打印構(gòu)件再運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)裝配，將給建筑業(yè)帶來(lái)新一輪變革。