3D打印建筑

用3D打印機造房子，是世界各國建筑師的夢想。然而此前，無論是俄羅斯曾發(fā)布的3D打印建筑，還是荷蘭打印的莫比烏斯環(huán)景觀房建筑，都不是直接打印出的完整房子。因此，1月28日有媒體以《3D打印住宅“私人訂制”》為題對上海盈創(chuàng)裝飾集團有限公司（以下簡稱上海盈創(chuàng)）在蘇州工業(yè)園區(qū)展示的3D打印整體建筑報道后，引起了社會各界的廣泛關(guān)注和討論，有人點贊，也有人質(zhì)疑。

中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟執(zhí)行總監(jiān)王玨在接受《中國建設(shè)報•中國住房》記者采訪時表示，他此前曾去過上海盈創(chuàng)，參觀過他們的工廠，但只看見過產(chǎn)品，沒見過3D打印機和現(xiàn)場作業(yè)，對其真實性甚為懷疑。對此，上海盈創(chuàng)董事長馬義和在接受本報記者獨家專訪稱：“3D打印設(shè)備是我們的核心技術(shù)，目前不便透露。”談及輿論普遍關(guān)注的產(chǎn)品質(zhì)量和安全性時，雖然他表示“我們的材料都是符合國家專業(yè)檢驗標準的”，卻也坦承目前3D打印建筑尚無成品驗收標準。

神秘的機器

縱覽各種有關(guān)3D打印建筑的消息，那臺3D打印機無疑是一大焦點，外界欲一探究竟，而上海盈創(chuàng)卻始終不肯撩開它的神秘面紗，面對外界對打印機的高度關(guān)注，有人懷疑其技術(shù)含量太低，才怕被人看見后輕易復(fù)制，甚至有人懷疑其真實性，馬義和對此倒是顯得很淡定。面對記者提及的3D建筑打印機研發(fā)進程、成本、量產(chǎn)后是采取成品出售還是技術(shù)轉(zhuǎn)讓、售價等問題，他只回答了簡短的一句“3D打印設(shè)備是我們的核心技術(shù)，目前不便透露”。

看來，要想一睹這臺打印機的真容以及它的現(xiàn)場作業(yè)場景，還真不是件容易事。不過我們還是可以通過一些公開信息，畫出這臺3D打印機的“草圖”。

研發(fā)：馬義和自己帶隊設(shè)計研發(fā)，然后全球定制零部件，最終在蘇州工廠組裝而成。

體積：據(jù)現(xiàn)場工作人員描述，大型3D打印機寬10米，高6.6米，長度可以延伸，完全拉開足有150米。

生產(chǎn)車間：大型3D打印機的生產(chǎn)車間約3層樓高，車間長約200米。

作業(yè)原理：打印建筑的3D打印機，與小的打印機是一樣的。噴口噴射出的“油墨”呈“Z”字形排列，層層疊加，壘成墻體。澆到“油墨”的地方，砂石材料會在一天內(nèi)固化。“油墨”原料：一種經(jīng)過特殊玻璃纖維強化處理的混凝土材料，來源于建筑垃圾、工業(yè)垃圾等，可以就地取材，通過技術(shù)處理、加工、分離，使之成為3D打印建筑“油墨”的原材料。

這種“油墨”原料也曾是3D打印建筑遭到質(zhì)疑的原因之一。同濟大學(xué)建筑系教授來增祥表示，3D打印“油墨”的構(gòu)成主要成分是高標號水泥和玻璃纖維。而據(jù)他所知，某些國家禁止建筑物大量使用玻璃纖維，因為玻璃纖維會影響人體呼吸系統(tǒng)。同時，高強度水泥未來的回收也有困難。王玨對此存有不同看法，他認為“油墨”的原材料還可以采用石墨等其他東西，3D打印技術(shù)需要一個完善的過程，隨著技術(shù)的進步，原材料中的有害物質(zhì)有可能調(diào)和處理或替換掉。

人們之所以如此關(guān)注這臺機器，主要原因之一還在于聽說它具備的高效。據(jù)上海盈創(chuàng)介紹，使用3D技術(shù)打印房子可節(jié)約建筑材料30%左右，節(jié)約人工50%左右，工期更是大大縮短，一棟面積約1100平方米的別墅，只需3個工人忙3天時間，打印需1天、拼裝需2天。既然優(yōu)勢如此明顯，為何遲遲未與同樣追求高效環(huán)保的住宅產(chǎn)業(yè)化掛鉤？馬義和分析認為，這項技術(shù)不僅在國內(nèi)還是國外都屬于創(chuàng)新技術(shù)，我們現(xiàn)在開始推廣，相信不久的將來就能看到市場效應(yīng)，“這項技術(shù)和BIM結(jié)合將會更加快速地推進住宅產(chǎn)業(yè)化的進程”。

糾結(jié)的質(zhì)量

其實，這臺打印機長啥樣，并非問題的關(guān)鍵，最關(guān)鍵的問題，還是它打出來的房子質(zhì)量如何，有沒有人敢住。

此前上海盈創(chuàng)曾對外宣稱，3D打印建筑不比傳統(tǒng)建筑的強度和安全性差，生命周期同樣可以達到三五十年。3D打印的墻體強度是普通水泥的5倍，且因中空而更加保溫。整棟建筑質(zhì)量更輕，理論上說抗震效果會更佳。他們曾與中建八局、上海同濟建筑設(shè)計院等單位聯(lián)合制定了3D打印建筑的國內(nèi)企業(yè)標準。

那么，截至目前，上述數(shù)據(jù)是否經(jīng)過權(quán)威驗證？3D打印建筑在地方標準和國家標準方面進展到了何種程度？馬義和告訴記者：“我們的材料都是符合國家專業(yè)檢驗標準的。因為這項技術(shù)是一項新技術(shù)，目前只有我們的企業(yè)標準，當(dāng)然我們也在和各個專家學(xué)者、相關(guān)部門一起合作，希望能盡快促進地方標準、國家標準的建立”。

盡管標準尚未制定，但馬義和已經(jīng)有了他的下一步計劃，將在全國尋找合作方，在全國間隔300公里范圍內(nèi)建100家夢工廠，今后就地取材，就地制造油墨，就地打印。而且將主流客戶群定位在“對個性化定制有要求的客戶，有環(huán)保意識的客戶，想節(jié)約成本的客戶”。

對此，王玨稱：“3D打印建筑整體質(zhì)量和性能上，還有待驗證。目前只是在個別作品方面（比如桌子）不會有問題，硬度很強，在安全范圍內(nèi)。何況目前只是在推廣，并未到普及階段”。而對于3D打印建筑的“主戰(zhàn)場”，他認為“3D打印建造方式未來最大的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)該是在別墅、文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園等高端產(chǎn)品和個性化產(chǎn)品方面，尤其是在僻遠或山頂?shù)冗\輸困難的地方，相比起傳統(tǒng)建造方式節(jié)省了大量物資的運送，優(yōu)勢尤為明顯。在普通住宅建造方面，目前傳統(tǒng)的作業(yè)方式也很快，尤其是那些產(chǎn)業(yè)化項目，3D打印并不具備優(yōu)勢”。

盡管目前有不少專家因質(zhì)量和材料的耐受性等因素，并不看好3D打印技術(shù)在普通住宅領(lǐng)域的應(yīng)用，但馬義和卻堅信“3D打印技術(shù)將會帶來普通住宅朝定制化、快速化發(fā)展”。此前曾有消息報道上海盈創(chuàng)與萬科等大型房企展開過合作，對此，馬義和告訴記者：“萬科已購買過我們的產(chǎn)品，同時也一起探討了3D打印建筑技術(shù)方面的合作。目前已有好幾家大型開發(fā)商向我們訂購產(chǎn)品。”

對于該消息的真實性，截至記者發(fā)稿時，萬科建筑研究中心總經(jīng)理王蘊并未就記者發(fā)去的采訪提綱作出回應(yīng)。

不過，與馬義和持同樣樂觀態(tài)度的，還有清華大學(xué)建筑學(xué)院副教授周榕，他表示，3D打印建筑是一個跨越式的發(fā)明，無論從生產(chǎn)效率、精密度、還是整體的藝術(shù)表達能力，都非傳統(tǒng)的建筑施工可同日而語。他預(yù)計在未來的10到20年內(nèi)，3D打印在建筑領(lǐng)域上的應(yīng)用很有可能會取代當(dāng)下傳統(tǒng)的建筑技術(shù)，甚至將從本質(zhì)上動搖整個傳統(tǒng)建筑學(xué)的根基。他的話，是言過其實，還是一語中的，只能是-走著瞧。

近日，數(shù)棟使用3D打印技術(shù)建造的建筑亮相江蘇省蘇州工業(yè)園區(qū)。一時間，關(guān)于3D打印建筑的討論不絕于耳。3D打印建筑是如何建造的？是否符合國家安全標準？與傳統(tǒng)建筑相比，3D打印建筑有何優(yōu)勢，其全面推廣又面臨哪些難題？為此，記者走進負責(zé)打印建筑的盈創(chuàng)新材料（蘇州）有限公司（以下簡稱“盈創(chuàng)公司”），實地探尋3D打印建筑的奧秘。

核心是打印材料和設(shè)備，強度是普通混凝土5倍

在蘇州東方大道和金谷路的路口，一幢1100平方米的三層別墅和一幢六層（含一層地下室）近1000平方米的在建住宅樓立即吸引了記者的眼球。若非建筑上寫著“3D打印綠色建筑”，記者很難察覺眼前的建筑與傳統(tǒng)住宅有何不同。

走進仔細觀察后，記者發(fā)現(xiàn)，墻體看上去就跟用水泥建造出來的一樣。與傳統(tǒng)建筑的墻體不同的是，3D打印的墻體呈現(xiàn)出年輪蛋糕般的螺紋結(jié)構(gòu)，用手指敲敲墻體，可以聽到空空的聲音。

“除了鋼筋結(jié)構(gòu)以外，其他都是打印出來的。”盈創(chuàng)公司負責(zé)人鄭建介紹，打印建筑的3D打印機，其原理與小的打印機是一樣的。噴口噴射出的油墨呈“Z”字形排列，層層疊加，壘成墻體。澆到“墨水”的地方，砂石材料會在一天內(nèi)固化。

該公司研究3D打印已經(jīng)有12年時間，3D打印機的“油墨”制作技術(shù)是公司的獨家專利。打印建筑的“油墨”原料主要是建筑垃圾等。鄭建表示，3D打印建筑采用纖維技術(shù)和盈恒石制造方法代替鋼筋混凝土，比鋼筋混凝土強度高5倍。

記者在該公司看到，大型3D打印機的生產(chǎn)車間約三層樓高，車間長約200米。據(jù)現(xiàn)場工作人員描述，大型3D打印機寬10米，高6.6米，打印機的長度可以延伸，完全拉開足有150米長。

鄭建介紹，3D打印出來的建筑構(gòu)件質(zhì)量輕、強度高，為了加強墻體的牢固度，墻體內(nèi)都采用了三角形的支撐結(jié)構(gòu)，所以理論上其抗震效果也會更佳。不過，對于其抗震強度，鄭建則表示，目前還無法給出具體數(shù)據(jù)。“但3D打印建筑的強度和牢度都符合且高于國家建筑行業(yè)標準。”

工期短、成本低，最重要的是環(huán)保

“現(xiàn)在建造房屋的成本，主要有材料、人工和浪費三部分。而通過3D打印，可以以更低的造價、更快的工期造好房子。”盈創(chuàng)公司董事長馬義和說。

鄭建告訴記者，平層、兩層的建筑，可直接把建筑打印出來，運送到指定位置使用；如果是三層或以上建筑，可以先分開打印建筑的不同部分，然后運送到目的地，在地基上進行組裝。

“3D打印建筑最大的好處是節(jié)能環(huán)保。”馬義和告訴記者，我們的原材料多來源于建筑垃圾、工業(yè)垃圾等，可以就地取材，通過技術(shù)處理、加工、分離，使之成為3D打印建筑“油墨”的原材料，避免了沙子、石子等材料的運輸。而且，3D打印建筑不產(chǎn)生任何揚塵，也不產(chǎn)生建筑垃圾。

“以往用戶裝修時為了水電管道的鋪設(shè)，總是敲東墻補西墻，3D打印就不用這么麻煩了，只要把水電圖紙給工作人員，打印時就可以預(yù)埋管道，避免二次加工的粉塵污染。”現(xiàn)場工作人員說。

暫缺行業(yè)標準，全面推廣仍處探索階段

“現(xiàn)在，3D打印建筑要全面推廣，面臨的主要難題就是缺乏專門的國家標準，因此我們只能把現(xiàn)有的一些標準作為參考進行驗收。”馬義和告訴記者，理論上3D打印建筑可以不需要鋼筋，但我國的建筑沒有鋼筋就無法驗收。因此，由于無法現(xiàn)場打印，其成本和效率都會受到一些影響。

相關(guān)業(yè)內(nèi)人士也指出，3D打印建筑只是剛剛誕生，還缺少必要的安全和質(zhì)量的規(guī)范。能否替代傳統(tǒng)的房屋建筑方式，還有待時間的檢驗。

2014年，盈創(chuàng)公司在上海展示3D打印建筑時，同濟大學(xué)建筑系教授來增祥在接受媒體采訪時就曾表示，3D打印在建筑新材料開拓和建筑工藝上的創(chuàng)新探索值得稱贊，不過3D打印房屋要真正普及，恐怕還需斟酌。比如3D打印的“油墨”主要是由高標號水泥和玻璃纖維構(gòu)成。而據(jù)他所知，某些國家禁止建筑大量使用玻璃纖維，因為玻璃纖維會影響人體呼吸系統(tǒng)。

此外，人居住宅，不僅要對外形，更需要對內(nèi)部結(jié)構(gòu)、綜合強度等多方面進行綜合考量。“油墨”的承載力強度、耐久性等各項指標是否符合標準，還有待專家部門的權(quán)威檢測和認證。

馬義和告訴記者，目前，公司已經(jīng)與中建八局、同濟大學(xué)等完成了技術(shù)簽約，取得他們的技術(shù)支持。

“目前，3D打印建筑的推廣還處于探索階段，公司已與一些周邊的房產(chǎn)開發(fā)商進行合作，并著手打印少量建筑。去年底，埃及有關(guān)部門訂購了2萬套廉價單元房，作為當(dāng)?shù)氐陌仓梅俊?rdquo;馬義和告訴記者。

隨著裝配自動噴嘴的“3D打印機”不間斷噴注施工建材，僅需3天，5~6名工人配合就可以完全建造好一棟建筑面積230平方米、總高度7.2米的雙層辦公樓?！俺赃M去”原材料，可以“吐出來”一棟樓？這看似不可能的事情，在3D打印技術(shù)下已成為現(xiàn)實。

“打印機內(nèi)裝有特殊的混凝土混合物‘打印材料'，與電腦連接后，通過電腦控制把‘打印材料'一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物?！敝薪ǘ秩A南公司陽光智造公司負責(zé)人告訴記者，3D打印房屋沒有原料的浪費，工業(yè)垃圾少，在很大程度上降低了工程總造價，由于原材料是高強度混凝土，生命周期可以達到50年。

房子可以打印，水電站竟然也可以打印。

在青藏高原的黃河羊曲水電站大壩施工現(xiàn)場，建筑機械來回穿梭。兩年后，這里即將誕生全球最大的3D打印工程。羊曲水電站項目首席科學(xué)家、清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室副研究員劉天云告訴記者，該項目通過電腦模型將大壩“切片”，分解成很多不同的建設(shè)步驟，并在每個步驟研發(fā)相應(yīng)的機器人，一層層地完成作業(yè)，一步步從整體上實現(xiàn)3D打印的效果?！八娬镜拇髩螌儆谌嵝越Y(jié)構(gòu)，它的穩(wěn)定性主要依靠材料之間相互接觸、擠壓產(chǎn)生的摩擦力。” 劉天云解釋說，因此，即便沒有了鋼筋的支撐，一層一層“打印”而成的大壩依然具有很強的穩(wěn)固性。

3D打印技術(shù)類似于在紙上打印文字，但不同之處在于它可以將作為“墨水”的原材料一層一層噴到打印的路徑上，從而讓原材料本身積累起來，完成從二維平面到三維立體形狀的轉(zhuǎn)變。3D打印建筑最明顯的優(yōu)點之一是速度快。建造一座約46平方米的單層住宅只需要24小時的打印時間。3D打印不僅節(jié)約時間，而且取消施工模具，減少了建筑垃圾和建筑粉塵，節(jié)省了建筑材料，實現(xiàn)節(jié)能減碳。

“這一技術(shù)的優(yōu)勢在于省人力、高效率、造價低，不同于傳統(tǒng)建造，建筑師使用這一技術(shù)可以建造前所未有的曲面、形狀，給設(shè)計創(chuàng)造了更多可能性?！鼻迦A大學(xué)建筑學(xué)院教授徐衛(wèi)國表示，目前我國仍有大量房屋及基礎(chǔ)設(shè)施需要建設(shè)，像3D打印這樣的智能建造方式既能彌補勞動力資源短缺的問題，又能避免建造過程受人為因素影響，使建造過程更加標準化、精細化、智能化。

盡管3D打印建筑相比傳統(tǒng)建筑具有強度高、建筑形式自由、更加環(huán)保節(jié)能等優(yōu)勢，但作為一種新型技術(shù)，仍有很長的路要走。 

與普通的3D打印技術(shù)相比，混凝土的3D打印技術(shù)難度更大，對建筑材料的要求更高。首先要保證混凝土在打印過程中能夠順暢流動，這樣才能順利進出打印機，不會堵塞。其次從打印機擠出的混凝土必須能夠快速硬化并變得足夠堅固以承受后續(xù)層。在滿足上述要求的基礎(chǔ)上，還需要使這些層之間達到足夠的附著力，緊密連接使建筑渾然一體。

在打印設(shè)備方面，目前的3D打印混凝土設(shè)備還不能夠完全滿足其應(yīng)用環(huán)境的特殊性的要求，只能滿足平面擴展階段，可用于低層大面積建筑的建設(shè)，而對于高層建筑還無法進行打印。此外在行業(yè)法規(guī)方面，作為一種新型技術(shù)，3D打印混凝土特殊的配合比設(shè)計和多樣的施工工藝，導(dǎo)致了其標準與規(guī)程存在較大的困難。用3D打印技術(shù)所生產(chǎn)的建筑，其防火性能、隔音性能、環(huán)保性能等目前還沒有相應(yīng)的行業(yè)標準。

從“搬磚砌墻”到“3D打印”，這是施工建造從機械化邁向智能化的探索，也是用科技創(chuàng)新推動高質(zhì)量發(fā)展的生動實踐。盡管尚不成熟，但它為建筑工業(yè)化的發(fā)展提供了更多可能。