2013年4月的漢諾威工業博覽會上，德國政府正式推出 “工業4.0”戰略，“工業4.0”概念即是以“智能生産制造”為主導的第四次工業革命。而以具有數字化、網絡化、個性化、定制化特點的3D打印技術為代表的新技術就成為“智能生産制造”中推動第四次工業革命的巨大源動力。

3D打印技術在高端制造、教育、建築設計、醫療、航空航天、文化創意、食品等領域都得到了實踐應用，顯示出巨大潛力的發展前景。本文對3D 打印的概念、技術類型及特點，在建築領域的應用以及所面臨的問題等方面進行介紹，并分享筆者對其在未來建築領域應用前景的一些粗淺的看法。

一 3D打印的概念

3D打印，即快速成型技術的一種，運用該技術進行生産的特征是：應用計算機軟件（比如CAD設計軟件或者三維空間掃描立體成型軟件等），設計出立體的數據模型，然後通過特定的成型設備（3D打印機），用液化、粉末化、絲化等可粘合材料逐層“打印”的方式來構造的物體。3D打印，顧名思義，更通俗的理解就是一種可用于打印三維空間實物的技術，區别于二維平面打印（就是常規的隻能在平面上打印内容的技術），其打印出的實際物體可以現場直接拿來使用。3D打印作為一種通俗化名稱，從成型方法方面來說其實質是增材制造技術。

在這裡要闡明兩個概念：所謂增材制造技術，就是基于3D模型數據，采用與減材制造技術相反的逐層疊加的方式生産物品的過程，通常通過電腦控制将材料逐層疊加，最終将計算機上的三維模型變為立體實物，是大批量制造模式向個性化制造模式發展的引領技術。而減材制造技術：以機械加工為例，就是加工一個所需的零部件，人們用一塊整體材料通過工具（如數控車床）進行切削、拉伸、打磨等操作不斷去除多餘部分的材料來“瘦身”，最終獲得所需要的零件形狀。

二 3D打印技術及打印材料的概況

目前流行的快速成型技術有多種，而其中應用于3D打印機的技術分為3DP 技術、FDM熔融層積成型技術、SLA立體平版印刷技術、SLS選區激光燒結、LOM分層實體制造技術，應用較多的主要基于以上前四種技術，現對前四種技術進行簡要介紹。

3DP技術：采用3DP技術的3D打印機使用标準噴墨打印技術，通過将液态連結體鋪放在粉末薄層上，以打印橫 截面數據的方式逐層創建各部件，創建三維實體模型。采用這種技術打印成型的樣品模型與實際産品具有同樣的 色彩，還可以将彩色分析結果直接描繪在模型上。

FDM熔融層積成型技術：FDM熔融層積成型技術是 将絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時三維噴頭在計算控制下，根據截面輪廓信息，将材料選擇性地塗敷在工作台上，快速冷卻後形成一層截面。一層成型完成後，機器工作台下降一個高度（即分層厚度）再成型下一層，直至形成整個實體造型。其成型材料種類多，成型件強度高、精 度較高，主要适用于成型小塑料件。

SL A立體平版印刷技術：SLA立體平版印刷技術以光 敏樹脂為原料，通過計算機控制激光按零件的各分層截 面信息在液态的光敏樹脂表面進行逐點掃描，被掃描區域 的樹脂薄層産生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄 層。一層固化完成後，工作台下移一個層厚的距離，然後在 原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液态樹脂，直至得 到三維實體模型。該方法成型速度快，自動化程度高，可 成形任意複雜形狀，尺寸精度高，主要應用于複雜、高精度的精細工件快速成型。

SLS選區激光燒結技術：SLS選區激光燒結技術是通 過預先在工作台上鋪一層粉末材料（金屬粉末或非金屬粉 末），然後讓激光在計算機控制下按照界面輪廓信息對實 心部分粉末進行燒結，然後不斷循環，層層堆積成型。該 方法制造工藝簡單，材料選擇範圍廣，成本較低，成型速 度快，主要應用于鑄造業直接制作快速模具。

3D打印材料：按照材料的物理狀态分類，3D打印材料可以被分為液 體材料、粉末材料、絲狀材料、塊狀材料等。按照化學性能分類，可分為高分子類材料（如樹脂、石蠟等）、金屬材料（如鋁、钛合金）、無機非金屬材料（如石膏、陶瓷等）及其複合材料。

簡單的來說，3D打印技術的實現從準備到最後打印成型可以歸納為以下步驟流程：

構件三維CAD模型的建立（或者用三維空間立體掃描儀進行實物掃描成為模型）———将CAD模型輸入3D打印機———3D打印機基于三維CAD模型文件切分成大量二維文件（類似于醫學當中的大腦切片技術）———将二維文件的幾何數據輸入激光/電子束/噴嘴頭的控制器（相當于打印機的打印噴頭）———控頭通過連接的豎向移動裝置一層一層沿着Z軸打印材料———對打印構件做後期處理（例如打磨，上色等）。

三 3D打印的特點及優勢

從3D打印技術的概念最早出現在20世紀70～80年代一直到現在已經有近30年的發展，3D打印無論是在技術還是在材料上都日漸豐富和成熟，展現出産品制作上巨大的發展潛力，其顯著的特點和優勢如下：

1、制作精度高，現在市面上成型的精度：家用機級别的精度可達到0.1mm。全球最高精度的工業級3D打印機Solidscape，最小層厚可以達到6.3μm，表面精度達到0.81μm，分辨率可達到5000*5000*8000dpi。

2、制作周期短，現做現用。傳統模型制作往往需要經過模具的設計、制作、模型制作、修整等工序，制作周期長，而3D打印則去除了模具的制作過程，使得模型的生産時間大大縮短，而且以打印出來實體就可馬上使用。

3、個性化制作。3D打印完全依賴于CAD技術，隻要是圖紙上能夠設計出來的就能通過連續物理層的疊加打印出個性化産品，避開了傳統制造工藝複雜的生産流程。

4、無需模具，無需機械加工，可以打印出實體的任意形體、任意空間形态（例如中空形态或物中物形态）。

5、産品制作材質的多樣性。一個3D打印系統往往可以實現不同材料的打印或者多種材料的混合打印，使得産品性狀不再單一，這種材料的多樣性可以滿足不同領域的需要。

6、小批量構件制作成本相對低。目前3D打印已被許多大公司采用，用于取代一些傳統的加工制作方法。據統計，通過降低海外供貨商的運輸、包裝費用、勞動力成本，同時采用更便宜、可靠的新材料等，3D打印可節約高達70%的加工成本。

7、更加環保和節約。制作過程中産生的垃圾更少。比如，很多鋼材和塑料的制作就是一個産生大量工業廢料和耗費過量材料的過程。以鋼材生産為例，鋼材的切割和焊接會造成大量浪費，而采用3D快速成型打印則可以省去這個過程。

8、一體化3D打印解決方案更簡潔、高效。即廠家不僅提供打印機還提供軟件工具和打印材料，還提供技術人員幫助指導和培訓，從方案制定的選型，定型，到成型實體，普通消費者可以無需任何專業背景即可容易操作上手。

這些顯著的優勢使得3D打印技術實現了在多個領域的應用。

四 3D打印颠覆認知，改變建築

Joseph Pegna是第一個嘗試使用水泥基材料進行建築構件3D打印的科學家，其方法類似于選擇性沉積法：先在底層鋪一層薄薄的砂子，然後在上面鋪一層水泥，采用蒸汽養護使其快速固化成型。而當前應用于建築領域的3D打印技術主要有三種：D型工藝（D-Shape）、輪廓工藝（Contour Crafting）和混凝土打印（Concrete Printing）。

1、D型工藝——由意大利發明家恩裡克?迪尼發明，D型工 藝打印機的底部有數百個噴嘴，可噴射出鎂質黏合物，在黏合物上噴撒砂子可逐漸鑄成石質固體，通過一層層黏 合物和砂子的結合，最終形成石質建築物。工作狀态下，三維打印機沿着水平軸梁和4個垂直柱往返移動，打印機噴頭每打印一層時僅形成5mm～10mm的厚度。打印機操作可由電腦CAD制圖軟件操控，建造完畢後建築體的 質地類似于大理石，比混凝土的強度更高，并且不需要内置鐵管進行加固。事實上這種方法類似于選擇性粉末沉積，打印所使用的材料為氯氧鎂水泥。目前，這種打印機已成功地建造出内曲線、分割體、導管和中空柱等建築結構。

2013年1月份，一位荷蘭建築師與恩裡克?迪尼合作，嘗試運用D型工藝技術建造一棟建築，命名為“Landscape House”，預期在2014年完成。該工藝甚至可以用于建築人類在月球上的居所。

2、輪廓工藝——是由美國南加州大學工業與系統工程教授比洛克?霍什内維斯提出的。與D型工藝不同是，輪廓工藝的材料都是從噴嘴中擠出的，噴嘴會根據設計圖的指示，在指定地點噴出混凝土材料，就像在桌子上擠出一圈牙膏一樣。然後，噴嘴兩側附帶的刮鏟會自動伸出，規整混凝土的形狀。這樣一層層的建築材料砌上去就形成了外牆，再扣上屋頂，一座房子就建好了。輪廓工藝的特點在于它不需要使用模具，打印機打印出來的建築物輪廓将成為建築物的一部分，研發者認為這樣将會大大提升建築效率。目前，運用該技術已經可以打印牆體，而且該團隊正在與美國宇航局合作，試圖将輪廓技術運用到美國未來“火星之家”項目中，建造人類在火星上的居所。

3、混凝土打印——由英國拉夫堡大學建築工程學院提出，該技術與輪廓工藝相似，使用噴嘴擠壓出混凝土通過層疊法建造構件。該團隊研發出一種适合3D打印的聚丙烯纖維混凝土，并測試了這種混凝土的密度、抗壓，抗折強度，層間的粘結強度等物理性質，證實該混凝土可以用于混凝土打印技術。目前該團隊用混凝土打印技術制造出了混凝土構件。

根據現有的資料分析，3D打印可以以如下方式建造建築物：

（1）全尺寸打印。這個方向的限制很明顯，建築越大所需要的3D打印機越大，更重要的是3D打印機越大，打印 精度和打印速度就會變差。所以現階段的單一打印主要是 解決3D打印房屋的一些基本問題如材料、控制、精度等。

（2）分段組裝式打印。即建築的模塊化，在工廠裡把 每塊打印好，最後在現場進行組裝。這種方法的優點是解 決了建築尺寸的限制，缺點是現場的組裝工作又涉及到勞 動密集型，提高了成本。

（3）群組機器人集體打印裝配。就是一群3D打印機 像蜜蜂一樣共同執行任務（比如打印整幢房屋）。這樣，打印機的尺寸跟建築尺寸無關，同時打印機的智能要求也可 以大大降低。這種自組織自協調的群體智能方式也是現在人工智能的研究方向。

從上述内容可看出，3D打印不僅是一種全新的建築方式，更可能是一種颠覆傳統的建築模式。與傳統建築技術相比，3D打印建築的優勢主要體現在以下方面：更快的打印速度，更高的建築效率；不再需要使用模闆，可以大幅節約成本；更加綠色環保，減少建築垃圾和建築粉塵，降低噪聲污染；減少建築工人的使用，降低工人的勞動強度；節省建築材料的 同時，内部結構還可以根據需求運用聲學、力學等原理做 到最優化；可以給建築設計師更廣闊的設計空間，突破現 行的設計理念，設計打印出傳統建築技術無法完成的複 雜形狀的建築。

五 3D打印在國内建築工程領域的應用

我國3D打印技術正處于從起步到快速發展的過渡階段，許多3D打印的公司相繼成立，其中一些依托高校成立的公司如北京殷華（依托于清華大學）、陝西恒通智能機器（依托西安交通大學）、湖北濱湖機電（依托華中科技大學），已擁有3D打印設備生産和材料加工的能力。其中，激光直接加工金屬技術發展較快，已基本滿足特種零部件的機械性能要求，有望率先應用于航天、航空裝備制造；生物細胞3D打印技術取得顯著進展，已可以制造立體的模拟生物組織，為我國生物、醫學領域尖端科學研究提供關鍵的技術支撐。而在建築工程領域，3D打印技術應用也同樣取得可喜的成果。

2014年8月，10幢3D打印建築在上海張江高新青浦園區内正式交付使用，作為當地動遷工程的辦公用房。這些“打印”出來的建築牆體是用建築垃圾制成的特殊“油墨”，按照電腦設計的圖紙和方案，經一台大型的3D打印機層層疊加噴繪而成，10幢小屋的建築過程僅花費24小時。據悉，此次所用3D打印機高6.6米、寬10米、長32米的打印機，底面占地面積足有一個籃球場那麼大，高度足有三層樓高。且打印機長度還可以延伸，完全拉開足有150米長。

2015年1月，數幢使用3D打印技術建造的建築亮相蘇州工業園區。這批建築包括一棟面積1100平米的别墅和一棟5層居民樓。這些建築的牆體由大型3D打印機層層疊加噴繪而成，而打印使用的“油墨”則由建築垃圾制成。據了解，5層高樓房由地下一層和地面五層組成，每層的建築面積為200平方米。建造一層這樣的房子，打印材料要一天，5個工人隻需要花三天的時間就可以建造好。

2015年7月，一座由3D打印的模塊新材料别墅現身西安，建造方在3個小時内完成了别墅的搭建。這個别墅由廚房、卧室、衛生間、客廳燈模塊拼接而成，整個過程隻需要一台起重機。據了解，它每平方米重100公斤，成本價格在每平方米2500元至3500元。雖是3D打印的别墅，不過倒是不必擔心其質量問題，據說此棟别墅可以抗9級地震，房屋結構中還充分填充了保溫材料，房屋的保溫效果也非常不錯。

通過上述實例可以看出，國内的3D打印在建築工程領域的應用已經走在了世界的前列。

六 3D打印在建築工程領域的前景及所面臨的現實問題

3D打印技術在建築工程領域仍然有很長的路要探索，其技術和材料上的局限性導緻3D打印仍屬于概念及實驗階段。雖然屬于它的市場空間不可估量，但要将其投入商業化發展，還需要進行大量的前期科研工作，以下對3D打印技術進行産業化發展應用所存在的問題談談一些粗淺的看法：

1、3D打印技術跟建築行業的技術融合、理論研究未能跟上。衆所周知，鋼結構體系和鋼筋砼結構體系已經過上百年的發展和演變，經過全世界各國無數次的應用檢驗和地球上的各種惡劣自然災害情況的檢驗，已運用到民用建築、公用建築、橋梁隧道、公路等各行業，各個國家都已有一整套完善成熟的技術标準、規範、規程，在理論上形成配套支持，但涉及3D打印建築的标準、規範運用仍然未有政府研究機構在理論上着手推進。同樣在學術領域的理論研究，在這一塊仍然是空白。

2、對于新材料應用于3D打印适應性的評估。随着新材料的不斷發明及被引用至3D打印行業。首先應對這些材料用于3D打印的适用性進行定量定性的研究和評估，即材料的特性、力學性能指标、物理性能指标、化學性能指标（耐腐性、耐久性、耐高溫、耐寒等）、顆粒大小、粉末顆粒可可溶性、熱學、光學等特征，這一系列材料的特性将成為達到3D打印産品所要求的機械性能，特征分辨率、加工精度和表面質量的瓶頸。

3、現有的3D打印材料雖然較多，但适合建築工程行業的材料仍然受到限制，另外現實中可用于建築工程的某些金屬、氯氧鎂水泥等已有材料，比較昂貴且稀少，這跟相關配套的材料産能有很大關系，如果這種材料未被市場全面認可和接受，則大範圍的市場化投産也是不可能的，所以材料的種類在未來很大一條路上仍然是3D打印應用的一大障礙。

4、對3D打印構件的材料性質、力學性能的研究：3D打印生産出的構件是按層疊加的，其材料的組成和性能都不同于傳統加工成熟的構件，因此還需要大量相應的材性試驗來獲取3D打印構件的各項性能指标、力學性能，例如材料的抗剪、抗彎、抗拉、抗扭、拉壓等特性。

5、對于3D打印的局部構件與主體結構的連接方式的研究：包括連接的方式、強度、延性，同時由構件拼裝起來的主體結構的整體抗震、抗風，是否滿足現行規範的要求，還有耐沖擊及撞擊性也是無相應試驗參數來檢驗。

6、3D打印的尺度的局限。對建築工程的産品來說，其幾何形狀的大不是一般産品可比拟，大空間、大體量、大跨度等都是以“大”為特點，3D打印還能否再進一步拓寬其制作的尺度，在一定程度上決定了其應用的廣度，建築産品或構件體量越大，機器輸出的尺寸越大，打印機本身就越大，那麼噴頭的行程要保證能覆蓋整體平面尺寸的範圍，這就意味着機器的尺寸是相當驚人的。

7、3D打印的綜合成本研究，包括其本身生産成本的估計及控制，以及與傳統施工方法怎樣組合使用能達到利益最大化等研究，如果能更進一步探索并解決這些問題3D打印在土木領域的應用将會更加現實。

七 結語

建築史在很大程度上是設計和建造技術史，技術手段往往決定了建築的設計表達方式，也決定了建築的空間形式，進而成為影響建築觀念和建築美學的重要因素。理論上，3D打印技術可以解決一切建築建造技術問題，但3D打印技術與建築工程的融合不是一朝一夕就可解決，創新與傳統如何互為補充、互相滲透、有機整合，是每一位熱愛本行業的工程人員都需要深刻思考的事情。有一點可以肯定，3D打印技術勢必在建築領域會掀起一場劃時代的革命。相信在3D打印的世界裡，建築師、工程師和建築工人将借助科技之力，将建築與3D打印結合，完成對自然的再造，建造更加美好的生活，有趣的未來。這是一個創造奇迹的時代，“nothing is impossible”，不是嗎！

編輯：南極熊

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