浅析3D打印建筑带来的机遇和挑战

     从荷兰建筑师耗时3年3D打印的水岸房屋，到盈创建筑科技在苏州3D打印的别墅和公寓，再到土豪迪拜即将打造的3D打印未来博物馆…… 建筑行业正在使用3D打印技术改变着世界。

    3D打印在建造房屋、桥梁等大型项目领域的潜力到底是什么?其实答案并不神秘，3D打印技术自由造型的技术特点打开了其在建筑领域应用的神奇之旅，那就是实现传统制造技术难以实现的从力学到声学再到美学的综合。

    3D打印技术可以为建筑物外墙添加更多的隔热材料，或者为楼梯间添加更多增强材料;使用3D打印技术建造房屋，还可以在打印建筑物结构时直接将水管、电路等管线直接预留出来……那么，3D打印在建筑学上的风向标指向何处?

左手力学，右手声学，往前看是美学

    力学: 通过3D打印，建筑师们能够合理的预估损耗，并且减少运输环节的花费。材料也可以用环保的可回收材料。世界上最大的工程顾问公司之一奥雅纳通过拓扑优化和选择性激光熔化3D打印技术，打印出复杂的钢结构件，并使用这些钢结构件将钢筋连接在一起，以此z支撑出庞大的建筑物，整个项目比使用传统建筑技术节约了四分之一的建筑材料。

    声学: 通过物体形状的设计来为各种空间创建声学解决方案的应用前景十分广阔。而3D打印，非常适合针对这方面的问题创造出独特和定制化解决方案。声学深刻影响了我们对于空间的有意识意识或无意识的看法，并在同时构成了建筑的重要性能指标。

    荷兰的设计师就通过一组物理测试，衡量和理解不同的几何形状和材料特性所能够导致的声学后果。然后，从对测量结果的分析推导出声音吸收装置的设计规则，最后通过参数化建模将其融入到设计过程中。这些3D打印的声音吸收装置就像是安置在空间里的有机结构，“出现”在需要吸收声音的地方，根据所处空间的声学需求和标准用来调节声学性能。

    美学: 来自北京Silk Project空间实验室的“蚕丝”水泥凉亭就为世界呈现了一场惊艳的3D打印建筑美学盛宴。设计师设计了独特的三角美学装饰结构，然后将模型转为G代码以方便3D打印时候系统读取路径。打印完成后，改项目团队将这个看似简单，实际复杂而且十分细腻的艺术品搭建起来，其独特的结构和特殊的工艺使得这个凉亭建筑不但美观且十分结实可靠。

改进，条条大路通罗马

     对于建筑师来说常见的3D打印机尺寸相对于庞大的建筑物来说十分有限，那么建筑师们又是如何通过3D打印技术来建造房子呢?聪明的制造商的方法还真不少。

    在原有的基础上改进: 荷兰建筑师历时3年打造水岸房屋的过程中，突破打印机尺寸的限制也是建筑师们处理的头等问题。他们是怎么做的呢?其实就是在现有打印技术的基础上改造出高达6m的3D打印机，这样可以打印出形状复杂的塑料墙板，还可以在其中填充水泥。

    化整为零，走拼装路线: 再拿国内的盈创建筑科技来说，他们拥有的大型建筑打印机可以使用液体水泥打印墙板，并在打印完成后组装成完整的建筑物结构。

    让软件做主: 而荷兰MX3D 公司则通过软件驱动3D打印机器人的技术几乎可以打印出一块完整的建筑结构。他们将在2017年3D打印工业机器人在运河的两端向中间一次性打印完成一座桥梁。这项技术可以用来紧急修复灾区受损的桥梁，为救灾抢险争取宝贵的时间。

     如此说来，如下图一样集时尚、实用、环保于一体的3D打印别墅，说不定哪天就来到我们身边。

挑战，亦是机遇

     3D打印在建筑行业还处在探索阶段，可以预见，要实现这样技术的普及还有不少的挑战要克服。3D打印建筑是否坚固耐用恐怕是人们最关注的问题。 建筑物和3D打印技术都要求材料具有特别属性，例如，水泥是常用的3D打印建筑材料，因为它可以以液体的形式存在，并且非常坚固。然而事情都有两面性，水泥材料良好的抗压缩性能让抗拉伸能力较弱成为这种材料的弱点。在普通建筑物的水泥板中通常是添加钢筋来增强其抗拉伸性能。

    挑战及机遇，为此，国际建筑行正通过各种不同方式来探索解决的办法。例如，在3D打印水泥材料中添加纤维来增强材料的抗拉伸能力。有的建筑师和工程师还通过在3D打印水泥材料的同时打印出水泥中的钢筋尝试解决这个问题。英国的建筑学专家则通过建立数学模型，分析打印层、速度、方向怎样影响建筑物的最终强度，有助于结构工程师调整思路，让建筑物的设计更加适应3D打印的建造方式……

   除了之外，麻省理工大学亦另辟蹊径，使用3D打印出建筑用的砖头骨架，并将植物大麻和石灰石粉材料填充到骨架中。在设计砖头骨架和房屋时，房中的管线已被预留好，然后再使用这些砖头来建造房子。比起完全使用钢筋混凝土来建造房子，这种独特的方式将水泥的用量大幅下降，减少水泥生产过程中消耗的能源，从而减少全球7%-8%的碳排放。经过力学优化的砖头骨架设计以及特殊的填充材料，将避免以往建筑材料中灰浆链接失效的可能，让砖头和石头一样坚固，大大延长建筑物的寿命。

      无论是通过改进3D打印的建筑材料，还是优化3D打印建筑物的设计，最终目的都是为了通过3D打印技术建造出节省材料、造型丰富而独特，并且足够坚固耐用，让人们可以安心居住和使用的建筑物。

     或许，下一步通过3D打印技术不但可以制造出廉价、美观并且足够坚固，能够抵抗地震、台风等自然灾害的房子呢。