淺析3D打印建筑帶來的機遇和挑戰

     從荷蘭建筑師耗時3年3D打印的水岸房屋，到盈創建筑科技在蘇州3D打印的別墅和公寓，再到土豪迪拜即將打造的3D打印未來博物館…… 建筑行業正在使用3D打印技術改變著世界。

    3D打印在建造房屋、橋梁等大型項目領域的潛力到底是什么?其實答案并不神秘，3D打印技術自由造型的技術特點打開了其在建筑領域應用的神奇之旅，那就是實現傳統制造技術難以實現的從力學到聲學再到美學的綜合。

    3D打印技術可以為建筑物外墻添加更多的隔熱材料，或者為樓梯間添加更多增強材料;使用3D打印技術建造房屋，還可以在打印建筑物結構時直接將水管、電路等管線直接預留出來……那么，3D打印在建筑學上的風向標指向何處?

左手力學，右手聲學，往前看是美學

    力學: 通過3D打印，建筑師們能夠合理的預估損耗，并且減少運輸環節的花費。材料也可以用環保的可回收材料。世界上最大的工程顧問公司之一奧雅納通過拓撲優化和選擇性激光熔化3D打印技術，打印出復雜的鋼結構件，并使用這些鋼結構件將鋼筋連接在一起，以此z支撐出龐大的建筑物，整個項目比使用傳統建筑技術節約了四分之一的建筑材料。

    聲學: 通過物體形狀的設計來為各種空間創建聲學解決方案的應用前景十分廣闊。而3D打印，非常適合針對這方面的問題創造出獨特和定制化解決方案。聲學深刻影響了我們對于空間的有意識意識或無意識的看法，并在同時構成了建筑的重要性能指標。

    荷蘭的設計師就通過一組物理測試，衡量和理解不同的幾何形狀和材料特性所能夠導致的聲學后果。然后，從對測量結果的分析推導出聲音吸收裝置的設計規則，最后通過參數化建模將其融入到設計過程中。這些3D打印的聲音吸收裝置就像是安置在空間里的有機結構，“出現”在需要吸收聲音的地方，根據所處空間的聲學需求和標準用來調節聲學性能。

    美學: 來自北京Silk Project空間實驗室的“蠶絲”水泥涼亭就為世界呈現了一場驚艷的3D打印建筑美學盛宴。設計師設計了獨特的三角美學裝飾結構，然后將模型轉為G代碼以方便3D打印時候系統讀取路徑。打印完成后，改項目團隊將這個看似簡單，實際復雜而且十分細膩的藝術品搭建起來，其獨特的結構和特殊的工藝使得這個涼亭建筑不但美觀且十分結實可靠。

改進，條條大路通羅馬

     對于建筑師來說常見的3D打印機尺寸相對于龐大的建筑物來說十分有限，那么建筑師們又是如何通過3D打印技術來建造房子呢?聰明的制造商的方法還真不少。

    在原有的基礎上改進: 荷蘭建筑師歷時3年打造水岸房屋的過程中，突破打印機尺寸的限制也是建筑師們處理的頭等問題。他們是怎么做的呢?其實就是在現有打印技術的基礎上改造出高達6m的3D打印機，這樣可以打印出形狀復雜的塑料墻板，還可以在其中填充水泥。

    化整為零，走拼裝路線: 再拿國內的盈創建筑科技來說，他們擁有的大型建筑打印機可以使用液體水泥打印墻板，并在打印完成后組裝成完整的建筑物結構。

    讓軟件做主: 而荷蘭MX3D 公司則通過軟件驅動3D打印機器人的技術幾乎可以打印出一塊完整的建筑結構。他們將在2017年3D打印工業機器人在運河的兩端向中間一次性打印完成一座橋梁。這項技術可以用來緊急修復災區受損的橋梁，為救災搶險爭取寶貴的時間。

     如此說來，如下圖一樣集時尚、實用、環保于一體的3D打印別墅，說不定哪天就來到我們身邊。

挑戰，亦是機遇

     3D打印在建筑行業還處在探索階段，可以預見，要實現這樣技術的普及還有不少的挑戰要克服。3D打印建筑是否堅固耐用恐怕是人們最關注的問題。 建筑物和3D打印技術都要求材料具有特別屬性，例如，水泥是常用的3D打印建筑材料，因為它可以以液體的形式存在，并且非常堅固。然而事情都有兩面性，水泥材料良好的抗壓縮性能讓抗拉伸能力較弱成為這種材料的弱點。在普通建筑物的水泥板中通常是添加鋼筋來增強其抗拉伸性能。

    挑戰及機遇，為此，國際建筑行正通過各種不同方式來探索解決的辦法。例如，在3D打印水泥材料中添加纖維來增強材料的抗拉伸能力。有的建筑師和工程師還通過在3D打印水泥材料的同時打印出水泥中的鋼筋嘗試解決這個問題。英國的建筑學專家則通過建立數學模型，分析打印層、速度、方向怎樣影響建筑物的最終強度，有助于結構工程師調整思路，讓建筑物的設計更加適應3D打印的建造方式……

   除了之外，麻省理工大學亦另辟蹊徑，使用3D打印出建筑用的磚頭骨架，并將植物大麻和石灰石粉材料填充到骨架中。在設計磚頭骨架和房屋時，房中的管線已被預留好，然后再使用這些磚頭來建造房子。比起完全使用鋼筋混凝土來建造房子，這種獨特的方式將水泥的用量大幅下降，減少水泥生產過程中消耗的能源，從而減少全球7%-8%的碳排放。經過力學優化的磚頭骨架設計以及特殊的填充材料，將避免以往建筑材料中灰漿鏈接失效的可能，讓磚頭和石頭一樣堅固，大大延長建筑物的壽命。

      無論是通過改進3D打印的建筑材料，還是優化3D打印建筑物的設計，最終目的都是為了通過3D打印技術建造出節省材料、造型豐富而獨特，并且足夠堅固耐用，讓人們可以安心居住和使用的建筑物。

     或許，下一步通過3D打印技術不但可以制造出廉價、美觀并且足夠堅固，能夠抵抗地震、臺風等自然災害的房子呢。