3D打印技术在建筑领域的应用及实例

3D打印技术的适应面日益广泛，不仅可以打印小件物品，甚至可以彻底颠覆传统的建筑行业。利用3D打印技术“打印”建筑与其他3D打印技术的应用不同的是，它需要一个巨型的三维挤出机械，通过与计算机相连接，将设计蓝图变成实物。虽然在概念上设计起来很简单，但实际实施起来却相当复杂，要解决的技术问题非常多。利用3D打印技术“打印”的建筑与传统建筑相比，其优势不仅体现在速度快——可比传统建筑技术快10倍以上，不需要使用模板，可以大幅节约成本，而且具有低碳、绿色、环保的特点；不需要数量庞大的建筑工人，大大提高了生产效率；可以非常容易地打印出其他方式很难建造的高成本曲线建筑；可以打印出强度更高、质量更轻的混凝土建筑物；还可能改变建筑业的发展方向，更多地采用装配式建筑。

目前3D打印技术还不能完成较大体积的建筑，而只能通过打印构件来进行拼装，所以对于广泛使用的高层建筑还无法进行打印，而要将几十层的建筑物打印出来，需要设计出巨型的3D打印机，解决大型建筑物结构强度问题，以及建筑物中钢筋的打印问题。

1.直接打印建筑

意大利发明家Enrico Dini发明了世界首台大型建筑3D打印机D-Shape，这台打印机用建筑材料打印出了高4m的建筑物。D-Shape的底部有数百个喷嘴，可喷射出镁质黏合物，在黏合物上喷撒沙子可逐渐铸成石质固体，通过一层层地黏合物和沙子结合，最终形成石质建筑物。工作状态下三维打印机沿着水平轴梁和4个垂直柱往返移动，打印机喷头每打印一层仅形成5～10mm的厚度。打印机操作可由计算机操控，建造完毕后建筑体的质地类似于大理石，比混凝土的强度更高，并且不需要内置钢筋进行加固。目前，这种打印机已成功地建造出内曲线、分割体、导管和中空柱等建筑结构。

荷兰建筑师Janjaap Ruijssenaars与Enrico Dini合作打印出6×9个由沙和无机结合料组成的房屋骨架，然后利用纤维混凝土材料填充骨架，而最终的成品是一座拥有流线型设计的两层建筑。这个建筑是一个“莫比乌斯环”式的建筑，天花板延伸成为地板，建筑内部则可以延伸成为外墙。Ruijssenaars用D-Shape分段打造这幢房子。由于担心D-Shape的沙层不能支撑整个结构，因此一次只打印部分建筑，组成外部轮廓，并用钢筋混凝土加固。该项目耗时约18个月，图6-22是该建筑的打印效果图。

图6-22 3D打印房屋效果图

瑞士苏黎世联邦理工大学的两位建筑师Michael Hansmeyer和Benjamin Dillenburger宣布了全球首个3D打印房屋“数字穴怪（Digital Grotesque）”。这是一个面积16m²、高3.2m的房间，用了11t砂岩。整个工程设计阶段用了一年时间，打印过程花了一个月，组装只用了一天。按照Digital Grotesque网站的说法，制造房屋所用的算法在可以预见与无法预见、控制与放手之间找到了微妙的平衡。依靠设计师们开发出的一种算法，虽然打印过程不都是随机的，但最后的成品依然不能被预测出来。最终的成品让人大吃一惊，有些惊悚，但也有美感。图6-23为此房屋经过3D打印成型分块制造后的组装（图6-23a）、房屋整体（图6-23b）及其局部细节（图6-23c）。

图6-23 3D打印房屋“数字穴怪（Digital Grotesque）”

2.建筑模型

路易斯维尔大学3D打印中心为一个行动困难的盲人制作了一个房子的SLS模型。这位名叫Patrick Henry Hughes的盲人今年19岁，在克服重重困难之后成为一名音乐家，他的努力激励了周围所有人。为了使行动不便的Hughes“看得到”自己家房子的样子，“Extreme Makeover”节目组用7天时间利用3D打印技术为他重建了他家房屋的模型。图6-24是Hughes家房子的三维数据模型和SLS模型。

图6-24 盲人借助3D打印技术“看到了”自己家的房子

由于建筑设计的日益复杂，传统的模型制作已经不能满足设计师的需求。在国外，3D打印技术已经成为建筑设计师不可缺失的工具。制作建筑模型的目的一般只有一个，那就是“交流”。使用3D打印技术打印建模模型，可以达到以下目标：(www.xing528.com)

（1）赢得项目 赢得更多的建筑项目有很多途径，其中非常重要的一点就是要有好的设计理念并且能够把这种理念展现出来。3D打印模型在这点上是非常实用的。一般来说，人们需要花费大量的时间看图样以了解一项建筑设计。而通过平面图样想象出建筑的三维形象的能力却往往需要大量的训练和经验才能获得。3D效果图对于这点有些许帮助，但是也有它的局限性。3D效果图的不容忽视的缺点便是，它仅仅只是作品最后的外观照片而已，所以整个想法就定形了，反而失去了更多的改进空间。而3D打印的建筑模型则恰有可以实现在项目设计过程中实时交流想法并改进的优点，这点在与客户沟通的过程中是非常必要的。

（2）初步设计之整体规划 一个建筑物不可能自己矗立起来，它总是有背景的。即使它矗立在空旷的土地之上，这片土地也是它的背景。一项好的设计必然要将此考虑在内，并且对此做出处理。因此在建筑群初步设计阶段，设计师必须充分考虑好这些。做到这点的一条非常好的途径就是通过3D打印技术制作建筑全景式模型，比如可以随意转换组合的模型。这样做的优点在于，你只需要通过不同的组合来改变设计规划，不需要反复从头开始。

（3）建设细节规划 随着建筑项目的进度，3D模型的性质也变了。之前已经确定了初步的宏观想法，紧接着便要优化细节了。室内设计往往涵盖了硬件、表面材料和装饰材料。设计师需要使用3D打印机制作出1：1的等比例的专门设计的室内特征模型，作为向客户展示并确认设计是否真的符合客户心意的方式。

Rietveld Architects公司于1994年成立于纽约市，因其提供大规模、创新的商业和住宅空间而享誉整个美国和欧洲。手工方式构建这些模型通常需要两名员工花上超过两个月的时间来切割、装配和修整由硬纸板、泡沫板和树脂玻璃构成的组件。手工制作这些复杂零件所花费的时间和费用决定了这些模型不够精细，创造力有限，因此有时展示的模型没能充分突出其设计的卖点。而3D打印技术的应用使快速制作高精细度和准确性的模型成为可能，更好地诠释了设计师们的设计理念。图6-25为Rietveld Architects公司利用3D打印技术制作的建筑模型。

图6-25 Rietveld Architects公司利用3D打印技术制作的建筑模型

芝加哥建筑协会与Google街景地图合作，使用3D打印技术，将原本只能从计算机或手机屏幕上瞧到的Google街景地图做成三维模型（图6-26），并向市民和游客免费开放。除了让市民和游客更直接地熟悉芝加哥的城市风貌，该模型也为设计师和建筑师使用3D打印技术来展示他们的作品指明了方向。

图6-26 根据Google街景地图借助3D打印技术制造的芝加哥城区模型

图6-27为设计师们利用3D打印技术制作的其他一些各种各样的建筑模型。图6-28为采用3D打印技术制造的可以穿在身上的建筑模型。

图6-27 利用3D打印技术制作的建筑模型

图6-28 利用3D打印技术制作的可穿在身上的建筑模型