3D打印建筑：设计弹性快速兴建，发展潜力巨大

3D打印建筑：设计弹性快速兴建，发展潜力巨大

3D打印技术在建筑领域的应用正日益受到关注。从早期的小型模型到如今的大型建筑，3D打印技术不仅改变了建筑行业的传统模式，还为解决住房短缺等问题提供了新的思路。本文将为您详细介绍3D打印建筑的技术原理、实际应用及其面临的挑战。

3D打印技术的发展历程

3D打印技术起源于上世纪末，最初主要用于快速制作模型和制造装饰品及小零件。随着技术的不断进步，3D打印的精度已经可以达到纳米级别，这极大地拓宽了其应用范围。

3D打印建筑的原理

在深入了解3D打印建筑之前，让我们先了解一下3D打印的基本原理。3D打印与传统的平面打印不同，它需要在三维空间中构建物体。这一过程涉及到增材制造（additive manufacturing）和光聚合反应（photopolymerization）等技术。

立体光刻造型（SLA）

立体光刻造型是最早期的3D打印技术之一。它通过紫外光照射液态树脂，使其固化成形。具体过程如下：

1. 在电脑软件中将要打印的物体“切成一片片”，让电脑知道每一层需要打印的位置。
2. 使用液态树脂作为“墨水”，它是一种光聚合物，遇到紫外光时会变成固态。
3. 紫外光通过可控制的镜面组合，精确照射到树脂的指定位置，形成第一层固态物质。
4. 平台向上移动一层，紫外光再次通过镜面照射树脂，打印第二层，如此循环往复。
5. 最后，将整个3D物体从树脂中取出，清洗表面多余的树脂，进行必要的后期处理。

立體光刻造型（stereolithography，簡稱SLA）© Formlabs

熔融沉积成型（FDM）

熔融沉积成型是另一种常见的3D打印方式。它使用热塑性塑料作为打印材料，通过高温喷嘴挤出，层层堆积形成三维物体。虽然这种方式的成品精度相对较低，但操作简单，后期处理较少，因此应用广泛。

熔融沉積成型（fused deposition modeling， 簡稱FDM）

3D打印建筑的实际应用

随着3D打印技术的发展，人们开始尝试将其应用于建筑领域。哈佛大学刘易斯教授团队开发了一种剪切稀化物料，这种非牛顿流体在受力时会降低黏度，便于通过喷嘴挤出，而在静止时又会恢复高黏度，保持物体形状。

生物塑料打印“积木屋”

2013年，荷兰建筑公司DUS Architects在阿姆斯特丹运河边建造了一座3D打印房屋。他们使用生物塑料作为打印材料，通过FDM方式打印成类似积木的物体，再堆叠成一间8平方米的迷你屋。

這棟兩層樓高的3D列印獨棟住宅，每層的居住面積約80平方米。© ArchDaily

直接打印大型建筑

德国公司PERI在2020年建造了一座160平方米的两层楼房。他们使用COBOD 3D打印系统和专门研发的“i.tech 3D”干砂浆材料，实现了快速打印，每5分钟即可完成1平方米的双层墙体。更重要的是，这种设计符合德国建筑规范，为未来大规模应用奠定了基础。

列印1平方公尺的雙層牆面大約需要5分鐘。© ArchDaily

大规模3D打印社区

建筑技术初创公司ICON与丹麦建筑事务所B.I.G.合作，在德克萨斯州奥斯汀市建造了一个3D打印社区，计划建造100间住宅。ICON的Vulcan建筑系统使用15英尺高的3D打印机，一周内即可完成一层楼的框架。这种特制混凝土LavaCrete具有高强度，能够抵御极端天气，同时可以快速打印并保持所需形状，实现创意设计。

奧斯汀3D打印社區設計圖，社區自 2022 年 11 月開始施工，單層的三至四房住宅通常需約 3 個星期的時間打印完成。© ArchDaily

3D打印建筑的优势

1. 更快：3D打印技术可以显著缩短建筑时间。美国3D建筑公司SQ4D使用ARCS系统可以在几天内完成打印。同时，人工智能等技术的结合进一步提升了效率。

2. 更环保：建筑活动产生的碳排放占全球总量的39%，而3D打印可以减少材料浪费。虽然一些项目仍使用混凝土，但也有研究尝试使用竹子或泥土等可再生材料。

3D打印可創造出高性價比和生態友善的建築。© ArchDaily

3. 更便宜：3D打印减少了材料和人力成本。英国研究显示，3D打印房屋的成本可以降低35%。ICON在墨西哥塔巴斯科的项目就是为低收入家庭提供经济适用房。

4. 更灵活：3D打印可以根据设计自由塑造建筑形态，如弯曲的墙面可以改善室内湿度，预留电力接口可以打造智能家居。NASA的火星建筑挑战赛中，获胜作品Marsha就是一个利用玄武岩和生物塑料打印的垂直蛋形设计。

Marsha設計圖。其蛋形結構能有效承受因室內外的壓力、溫差及自身重量。

面临的挑战

尽管3D打印建筑展现出巨大潜力，但仍面临一些挑战。例如，如何实现规模化生产和高层建筑的打印，以及如何平衡技术发展与就业问题。此外，虽然3D打印可能有助于缓解住房短缺，但房价未必会大幅下降。以奥斯汀项目为例，初步定价与当地房价相当。

© ArchDaily

3D打印建筑技术仍在不断发展，未来有望在建筑行业发挥更大作用。