▉ ▏3D打印概况

3D打印技术，同时也被称为增材制造技术（additive manufacturing），是传统的工业减材制造技术（subtractive manufacturing）的替代技术。它以数字模型文件为基础，通过电脑控制将可打印材料按照一定的方式熔化，再逐层堆叠成设计物品。

自美国科学家Chuck Hull于1983年首次发明了SLA（stereolithography，液态树脂固化）3D打印技术之后，该技术就以一种迅猛的速度席卷了航空航天、工业设计、汽车、珠宝、医疗等多个领域，其中就包括了建筑。有别于普通的墨水打印，3D打印机使用的材料十分多元化，常用的有橡胶、尼龙材料、不锈钢、石膏材料、铝材料等。  

△ 美国Jim Kor 团队打造出的世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee

 

△ 德克萨斯州3D打印公司Solid Concepts设计制造的全球首支3D打印金属銃

 

△ 德 克萨3D打印胸腔，澳大利亚CSIRO公司制造

 

3D打印可以根据原材料类型和热源划分成多个种类，例如选择性激光烧结、电子束熔化成型、熔融沉积式等。常见的材料类型有颗粒状、线形粉末状等，常见的热源有电弧、激光、电子束等。

相对于传统的制造技术，3D打印可以将材料的浪费率从90%减小到7%至20%，这一优势对于昂贵的金属材料例如镍和钛来说尤其明显。与此同时，该技术可以在最大程度上解放结构的外形束缚，加快复杂结构的建造速度。基于以上这些优势，建筑的建造将因使用3D打印而变得更快、成本更低、更环保。

 

▉ ▏3D打印在建筑界的兴起

■  3D打印房屋

3D打印房屋，这种突破性的概念是由英国伦敦建筑设计工作室Softkill Design于2013年2月首次建立。 摒弃了传统的钢筋水泥，这种被称为“3D打印2.0”的设计只利用高纤维塑料来维持结构的完整性。

同期，荷兰建筑事务所Universe Architecture的建筑师Janjaap Ruijssenaars也表示希望能用3D打印技术建造一栋建筑。竞争的火药味在两个公司之间蔓延，好似都试图抢在对方前面率先摘下首座3D打印建筑的桂冠。

 

△ 3D打印房屋示意图

 

△ 3D打印过程图

 

△ Universe Architexture公司3D打印建筑效果图

SoftkillDesign工作室采用的建造方法是先在场外打印出所有的房屋组件，再利用纽扣式扣合件或者尼龙搭扣进行固定组装。Universe Architecture公司计划打印出包含粘合剂的建筑框架，然后用强化混凝土进行填充。单单从建造方法的角度来评判，Softkill Design采用的方式无疑更贴近于3D打印的概念。而荷兰建筑事务所只是打印出模板，主要还是利用混凝土来完成结构。

 

■  3D打印桥梁

不仅是房建项目， 3D打印技术也延伸到了桥梁建造。

2015年，荷兰MX3D公司与伦敦帝国理工研究小组、艾伦图灵研究所等机构合作，计划打造世界上最大的3D打印金属人行天桥。2018年4月，首座3D打印不锈钢桥在荷兰的阿姆斯特丹完成，这座桥将横跨在阿姆斯特丹最古老的运河之一Oudezijds Achterburgwal之上。

这座桥梁采用的是3D打印技术中的电弧增材制造技术（Wire Arc Additive

Manufacturing）。它的原理是利用电弧的热量将金属丝迅速熔化，再利用机器臂将熔化的材料堆叠起来。堆叠的过程中，机器臂以均匀的速度向特定的方向移动，移动的依据就是电脑中提前绘制好的结构设计图。下图演示的是一个电子束增材制造系统，电弧增材制造系统与这个十分相似，只是热源被替换成了电弧。

△ 电子束增材制造系统（Frazier，2014）

 

△ 3D打印不锈钢桥打印过程图（Frazier，2014）

 

该桥长12.5米，宽6.3米，使用了约4500kg奥氏体不锈钢308LM，运用了数台多轴机器人打印完成。相对于其他金属材料，不锈钢材料具备的特点使其更适宜进行打印。首先，采用传统工业技术制造结构复杂的不锈钢物体十分耗时。其次，不锈钢材料价格相对较高，而3D打印技术可以帮助节省大量原材料。不锈钢具备的高延展性、高强度与高抗腐蚀性也使其成为结构打印材料的不二之选。

 

△ 3D打印不锈钢桥成型效果图

 

△ 荷兰机器人公司MX3D在荷兰设计周上展示了世界上第一座3D打印不锈钢桥 （图片来自于Eric Baldwin，ArchDaily China）

 

△ 桥梁两端具有复杂的漩涡外形

 

然而这种技术也存在一定的问题。伦敦帝国理工学院结构研究小组对打印完成的材料进行了一系列的拉伸实验，实验数据表明3D打印不锈钢材料在各个方向上的物理特性是不同的。这意味着打印出来的材料具有各向异性，但是考虑到安全等因素，人们在建筑上更加倾向于使用各向同性的材料。

 

△ 2018年对桥梁进行结构性测试（图片来自于Eric Baldwin，ArchDaily China）

 

各向异性的特性在很多3D打印金属材料上都显现了出来，这成为限制该技术在建筑业得到进一步发展的一个因素。正因3D打印材料还未被深入了解，国际上许多机构和研究人员都开始从分子层面上研究各向异性的深层原因，并试图解决这个问题。在2014年，就有伊朗的Mirshekari等研究人员研究3D打印304不锈钢的内部分子结构。

笔者在伦敦帝国理工攻读结构工程硕士期间有幸跨专业与材料专业合作，对该不锈钢桥的打印材料进行分子结构研究。 实验结果表明：不锈钢材料在经过打印之后，内部晶粒的形状、大小和空间转向都发生了变化。而这样的变化大多源自于3D打印逐层累加的制造特点和打印材料快速凝固的特性。新叠加的每一层都像刚烤好的“蛋糕”，对已经凉了的底下几层进行重新加热，影响下部的分子结构。同时，奥氏体不锈钢在不同温度间的相位变换也是影响其打印材料物理特性的重要因素之一，3D打印过高的温度下降速率使小部分的铁素体不能及时的转换成为奥氏体。于此同时，不同的区域之间不同的温度下降速率也会影响各区域的分子结构。

笔者认为打印技术的热源、打印的速度、方式和方向都会对材料造成不同的影响，如何调整3D打印技术来适应不同的材料和不同的结构或许会成为未来新的研究方向。

 

△ 3D打印原理示意图

 

无独有偶，在2019年的1月12日，由清华大学建筑学院与其合作伙伴共同建造的3D打印混凝土步行桥在上海落成。不同于上文的不锈钢桥，这座桥是先由机器臂打印完成全部混凝土构件，再在现场搭建完成。

 

△ 3D打印混凝土步行桥（图片来自Archdaily.cn）

 

▉ ▏ 3D打印 技术在国内外的区别

基于笔者在国外学习的经历和平时与外国学者的交流，3D打印技术在海外建筑行业能得到快速发展主要受到以下几点因素的影响：

1、建他人所不能建，想他人所不能想；

2、追求可持续发展；

3、解决住房危机。

在这些因素中又以第一点因素最为关键，相关方面的海外研究学者想通过3D打印技术颠覆传统的建造行业，打破钢筋混凝土的桎梏，建出与众不同、吸引眼球的全新建筑。这一思想也在3D打印不锈钢便桥的外形上得到了充分的体现。

如果说国外以“吸引眼球”为主要目的，那么中国人的主要目的就显得格外实际和亲民：解决住房危机。在一线城市，高额的房价让大多数年轻人望而却步，少部分杀进围城的人为了能够留下来也不惜成为“房奴”。而3D打印技术或许能为解决这一问题带来转机。

 

△ 上海1100平方米3D打印别墅

 

△ 苏州3D打印住宅楼

 

2014年4月，10幢3D打印别墅在上海张江高新青浦园区落成。这些建筑从里到外均由大型打印机一次性完成，耗时仅24小时。江苏苏州有一幢3D打印中式庭院，别墅面积约130平方米，用时三天打印完成，造价仅20万元。苏州还有一座目前世界上最高的3D打印住宅楼，打印一层仅需一天的时间，组装完毕也只需五天的时间。这些数据都在表明，3D打印出来的建筑可以在最大程度上减少人力、物力和建筑资源的消耗。

 

▉ ▏ 3D打印 建筑未来的发展与限制

未来人们的流动性将因3D打印建筑的存在而变得更高。想搬家只需要将现有的建筑拆除，然后利用拆除的材料重新打印出一套新的房子。除此之外，造型复杂的装饰性构件也能在不使用大量人工的情况下轻松打印完成。

除了看到3D打印建筑的众多优势，我们也不能忽略其背后依旧存在的问题。现在国内大部分3D打印住宅都是采用纤维强化混凝土作为主要材料，然而这种材料可能会对人体的呼吸系统造成一定的影响。除此之外，建筑不能仅仅只满足于外观，也需要综合考虑多方面的因素，例如防火性能、强度、刚度等。比如上文中提到的3D打印不锈钢材料就存在各向异性的缺陷。在得到广泛应用之前，3D打印建筑在这些方面的表现还需要得到进一步的认证。

不论是在建筑还是其他领域，3D打印的应用程度都会越来越高。这项技术的流行在侧面体现出社会的进步还有生活水平的提高，因为其展现了人们对私人化、定制化的追求。