“世界首例原位3D打印雙層示范建筑”效果圖。

3D打印墻體特寫照片。

施工人員在3D打印墻體施工中。(圖片由中建二局華南公司提供)

隨著3D打印建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，其對整個建筑行業(yè)的影響在不斷加深。日前，“世界首例原位3D打印雙層示范建筑”在廣東成功完成主體結(jié)構(gòu)，意味著我國建筑3D打印技術(shù)在某些應(yīng)用方面已經(jīng)超越國外同行，未來有望深入改變我們的生活。

兩層小樓，7.2米高，一層層疊起的墻體，顏色灰突突的。在一棟棟摩天大廈拔地而起、眾多地標(biāo)性建筑彰顯特色的今天，這樣一棟小樓，顯得很平常。

但是，如果這棟小樓是“3D打印”出來的呢?

這棟小樓不尋常

11月17日，中建二局廣東建設(shè)基地。一個高大的金屬框架立在地面，噴吐混凝土材料的“打印頭”懸掛其上，可以實現(xiàn)XYZ軸3個方向上的自由移動。此時，連續(xù)“噴墨”幾十個小時的建筑3D打印機(jī)已經(jīng)完成了工作——這棟其貌不揚的小樓就是它的作品。

小樓有個響當(dāng)當(dāng)?shù)拿?mdash;—“世界首例原位3D打印雙層示范建筑”。其特殊性在于，它是一棟“原位3D打印”出來的建筑，是一棟不用拼裝、在現(xiàn)場直接將主體打印成形的建筑，也是一棟首次運用這項技術(shù)并成功完成的雙層建筑。同時，這也意味著我國建筑3D打印技術(shù)與國際同步發(fā)展，甚至在某些應(yīng)用方面已經(jīng)超越國外同行。從這個角度看，這棟小樓不尋常。

3D打印技術(shù)誕生于上世紀(jì)90年代中期。一般認(rèn)為，這是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，在航空航天、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域都有應(yīng)用，而應(yīng)用在建筑方面還很少見。

中國建筑技術(shù)中心材料工程研究所所長助理霍亮介紹：“3D打印建筑的基本原理與一般打印機(jī)一樣，要有打印機(jī)體、噴頭、油墨、紙張。”如果把建筑四周搭建的金屬框架視作打印機(jī)的機(jī)體，那么噴吐混凝土的“打印頭”就相當(dāng)于打印機(jī)的噴頭。建筑打印用的“油墨”可不是普通的混凝土，而是為打印施工特殊配制的打印材料。當(dāng)然，“紙張”也十分重要。在施工前，工人在地下預(yù)埋鋼筋，這就相當(dāng)于“紙張”了。打印頭通過一圈一圈連續(xù)噴吐寬5厘米、厚2.5厘米的打印材料，經(jīng)過層層堆積建造墻面，不到30個小時就能打印完占地面積約120平方米的一層樓墻面。而且在打印過程中，隨著墻體不斷升高，還需要按照圖紙加裝鋼筋，使“紙張”實現(xiàn)動態(tài)延伸。

“工人可以趁著混凝土砂漿尚未凝固時在墻體底部開洞，為墻體內(nèi)的鋼筋籠與地基中的鋼筋焊接預(yù)留出空間。”中建二局廣東建設(shè)基地有限公司科技部副經(jīng)理黃云補(bǔ)充說，“手感像是切蛋糕，操作起來相當(dāng)方便”。

打印技術(shù)不尋常

且不說現(xiàn)場觀感，從技術(shù)層面描述建筑的“打印”過程也不復(fù)雜：先是通過計算機(jī)軟件完成模型分割;接著將三維圖形信息轉(zhuǎn)化成打印路徑，同時計算出打印速度;然后輸送泵將打印材料送至打印頭，打印頭再按照設(shè)定程序進(jìn)行三維走位，建筑構(gòu)件就被“打印”出來了。此次打印完成占地面積約120平方米的一樓墻面，用時不到30個小時。

然而，新技術(shù)簡單易行的背后是科技力量的強(qiáng)大支撐。

一是打印材料不尋常。寬5厘米、厚2.5厘米的混凝土材料一層覆蓋一層，如果下層混凝土凝結(jié)慢，強(qiáng)度不夠，就無法支撐上層材料的重量，有可能導(dǎo)致墻面變形甚至垮塌;如果凝結(jié)得太快，每一層材料與上層材料的有效黏合又難以實現(xiàn)。如何讓混凝土滿足3D打印建筑的需求，本身就是個難題。“我們通過反復(fù)試驗，在普通混凝土中添加了外加劑，通過調(diào)節(jié)材料黏稠度和凝結(jié)時間，解決了這一問題。”霍亮說。

二是原位3D打印建筑技術(shù)不尋常?？陀^地看，在建筑行業(yè)引入“3D打印”技術(shù)已有先例，但大部分應(yīng)用都在工廠中完成。工廠打印出能夠組合拼裝成形的各種建筑構(gòu)件，然后搬運到建筑所在地進(jìn)行拼裝。而原位3D打印建造技術(shù)可以實現(xiàn)原位打印，即在現(xiàn)場直接將主體打印成形，無需二次拼裝，這需要克服戶外環(huán)境變化帶來的一系列挑戰(zhàn)。對此，施工人員在建筑周邊裝備噴霧設(shè)施，用于打印中的保濕和打印后的混凝土養(yǎng)護(hù)。“飯要一口一口吃，樓要一層一層印。在一層墻體打印完成后，我們還需養(yǎng)護(hù)至少3天，確保材料強(qiáng)度達(dá)到可開展下階段施工的條件。”中建二局廣東建設(shè)基地有限公司總工程師蘇鎧說。

三是建造難度不尋常。此次實踐，他們采用輪廓工藝，分內(nèi)外兩層打印，打印出的墻體是“空心”的，方便添加保暖填充物。而將這項技術(shù)成功運用到難度更大的雙層建筑建造上，更是一種突破。

在不尋常中求索“尋常”

研制3D打印建筑，意義何在?

蘇鎧向記者介紹：與傳統(tǒng)施工技術(shù)相比，3D打印技術(shù)的機(jī)械化程度更高、成本更低;而且整個施工過程不需要模板，不但能節(jié)約材料約60%，還可減少建造過程中的工藝損耗和能源消耗;由于3D技術(shù)打印房屋全部使用機(jī)械自動化操作，以往要十幾名工人操作的項目完全可以減少一半人力;特別重要的是，整個施工過程更加安全，工人的勞動強(qiáng)度也降低不少。

站在更大的格局上看，建筑3D打印技術(shù)對整個建筑行業(yè)的影響亦在不斷加深。一方面，應(yīng)用這一技術(shù)可實現(xiàn)更高的設(shè)計自由度，這為建筑設(shè)計師的自由創(chuàng)作提供了更多可能;另一方面，這一技術(shù)可實現(xiàn)更高的定制化要求，能推動建筑的標(biāo)準(zhǔn)化與個性化更好結(jié)合。“這將是一個打破傳統(tǒng)束縛、使建筑結(jié)構(gòu)順應(yīng)個性化需求的過程。”霍亮說。

無論技術(shù)有多牛，能否實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用才是關(guān)鍵。于是，在一系列不尋常中求索“尋常”，是建筑3D打印技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊始終關(guān)注的問題。此次原位3D打印技術(shù)的成功應(yīng)用，克服了需要大量機(jī)械吊裝預(yù)制構(gòu)件、構(gòu)件二次運輸?shù)葐栴}，為3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的推廣奠定了基礎(chǔ)。

現(xiàn)實地看，從技術(shù)突破到應(yīng)用推廣，建筑3D打印還有很長一段路要走，還有一些難題尚未解決。比如，3D打印具有無模板的優(yōu)點，但是打印墻體中的橫向鋼筋、豎向鋼筋、箍筋的布置和連接在目前的工藝中還不能有效解決;又如，不同建筑環(huán)境對打印材料的要求也不同，研發(fā)具有更優(yōu)越強(qiáng)度及耐久性的建筑3D打印材料，也是建筑3D打印技術(shù)更好推廣的重要基礎(chǔ);再如，建筑3D打印機(jī)也需要進(jìn)一步強(qiáng)化能力、實現(xiàn)更多功能，能夠根據(jù)建筑的體量大小、建筑場地附近的施工條件以及施工進(jìn)度的要求，進(jìn)行全尺寸打印、分段組裝式打印、群組機(jī)器人集合打印等。

因此，霍亮特別強(qiáng)調(diào)：“建筑3D打印技術(shù)與現(xiàn)有施工技術(shù)是互補(bǔ)的、相互依靠的關(guān)系。研發(fā)及應(yīng)用這一技術(shù)不是要替代現(xiàn)有施工技術(shù)，而是將其作為對現(xiàn)有施工技術(shù)的一個強(qiáng)有力補(bǔ)充。”

雖然未來的不確定性很多，但可以預(yù)見的是，由于建筑3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，整個建筑行業(yè)的設(shè)計、施工思路與方法必將隨之變化。建筑師、工程師和建筑工人將借助科技之力，將建筑與3D打印結(jié)合，完成對現(xiàn)有建筑技術(shù)的再造。(經(jīng)濟(jì)日報·中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng)記者 欒笑語)