《3d打印建筑》2018年

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。

全球3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)最早可以追溯到1976年噴墨打印機的發(fā)明，1984年查爾斯胡爾將光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于快速成型領(lǐng)域，拉開了3D打印的帷幕。20世紀80年代以后，3D打印行業(yè)受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，各種3D打印技術(shù)也在多個行業(yè)應(yīng)用并發(fā)展，如今已覆蓋了制造、醫(yī)療、學(xué)術(shù)、航空航天、軍事等多個領(lǐng)域。

按照打印技術(shù)的特點，3D打印可分為選擇性激光熔化成型、選擇性激光燒結(jié)成型、激光直接燒結(jié) 技術(shù)、電子束熔化技術(shù)、熔融沉積式成型、選擇性熱燒結(jié)、立體平板印刷、數(shù)字光處理、三位打印技術(shù)、及細胞繪圖打印等。

圖表1：3D打印技術(shù)分類

　　資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理

目前，3D打印產(chǎn)業(yè)主要成形技術(shù)主要包括立體光刻、立體光固成型、PVC塑料燙印復(fù)膜、熔融擠出成型、三維噴繪打印、數(shù)字光處理。自從上世紀80年代中期SLA成型技術(shù)發(fā)展以來到90年代后期，出現(xiàn)了十幾種不同的快速成型技術(shù)，除前述幾種外，典型的還有3DP、SDM、SGC等。其中，SLA、LOM、SLS和FDM四種技術(shù)，目前仍然是3D打印技術(shù)的主流。

圖表2：3D打印產(chǎn)業(yè)主要成形技術(shù)表

資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理

前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《2018-2023年全球3D產(chǎn)業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》數(shù)據(jù)顯示，3D打印的發(fā)展嚴重依賴于技術(shù)的進步和突破，目前全球3D打印應(yīng)用最受歡迎的技術(shù)為FDM技術(shù)，占平臺總收入的63.9%；SLA +DLP技術(shù)以18.1%的平臺總收入排名第二，排名第三的是SLS技術(shù)，平臺收入占比為11.1%。

圖表3：2016年全球3D打印技術(shù)應(yīng)用情況(單位：%)

　　資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理

　中國3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)快速成型技術(shù)的研發(fā)工作始于20世紀80年代末，在時間點上和國際上保持一致，至今已經(jīng)形成了北航、華中科大、西安交大、清華大學(xué)四大研發(fā)中心，在科研水平上公認已經(jīng)達到國際一流水準。北航的王華明教授團隊是目前世界上少數(shù)能實現(xiàn)激光快速成型飛機用鈦合金承力結(jié)構(gòu)件的研究機構(gòu)，并且是唯一一家已經(jīng)實現(xiàn)裝機的單位；華中科大的史玉升教授團隊在2012年研制出世界最大的激光快速成型設(shè)備(1.2x1.2m工作面SLS)。西安交大和清華大學(xué)研發(fā)團隊也掌握了SLA設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)。

我國近年才引入3D打印技術(shù)，與國外相比差距非常大，主要體現(xiàn)在技術(shù)和市場應(yīng)用方面，研發(fā)水平不高，與市場銜接度較低，目前還未產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。與美國已經(jīng)出現(xiàn)3D Systems和Stratasys兩大3D打印機上市公司不同，我國的3D打印技術(shù)起源于西安交大、華中科大和清華大學(xué)等高校，相關(guān)的技術(shù)轉(zhuǎn)化集中在校辦企業(yè)。

圖表4：中國3D打印快速成型系統(tǒng)的主要科研機構(gòu)

　　資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理

截至2017年，我國3D打印技術(shù)專利申請數(shù)量一共9907個，申請人數(shù)3062個，平均專利數(shù)3.24件。2016年全年3D打印技術(shù)專利申請個數(shù)3554個，占全部專利數(shù)量的35.87%；專利公開個數(shù)為4739個，占全部專利數(shù)的48.38%，同比增長79.78%。3D打印技術(shù)公開的專利中，發(fā)明授權(quán)專利340個，實用新型專利1630個，外觀專利293個，發(fā)明專利2530個。

圖表5：2010-2016年3D打印相關(guān)專利數(shù)量變化圖(單位：個)

資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理

但是，應(yīng)該看到我國3D打印技術(shù)還存在很多的問題，比如“低水平重復(fù)”現(xiàn)象，使得有限的投人未能發(fā)揮更好的作用，尤其是在學(xué)、產(chǎn)、研結(jié)合方面力度不夠，影響科研成果的商品化，直至產(chǎn)業(yè)化。

另外，企業(yè)界對3D打印技術(shù)重要性認識不足，缺乏企業(yè)的有力支持，目前投人的研發(fā)資金幾乎都是由國家承擔，企業(yè)沒有發(fā)揮其主導(dǎo)作用。對于已引進3D打印技術(shù)設(shè)備的企業(yè)，也未能充分發(fā)揮其作用。由于目前的3D打印技術(shù)設(shè)備價格太昂貴，因此廣大中小型企業(yè)很少能得到3D打印技術(shù)服務(wù)。

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?shù)氐陌仓梅俊?rdquo;馬義和告訴記者。