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用3D打印房子已經不是事兒，但你敢住嗎？

2017-11-24 10:58:03 作者：本網整理來源：知乎分享至：

3D打印技術使用的是一種加入玻璃、塑料等纖維的特殊混凝土，通過分段打印實現高層建筑建造，不僅可以滿足高端住宅的需要，也能滿足中低收入人群的居住需求。

現如今，3D打印早已不是什么新鮮事了。各行各業的人可能都接觸過這種東西：在電腦中畫個模型，噴嘴就開始一層一層地工作，噴出光敏樹脂、金屬粉末、石膏等，很快就能將電腦中的模型原原本本地制造出來。

3D打印的應用面非常廣，從航空航天領域的精密零件，到醫生手中嚴絲合縫的支架，再到設計師手中精美的珠寶、服飾和雕塑，都可以通過3D打印來完成。

圖1 3D打印出精致的航空零件

但你是否知道，與精密相對，另一個極端，也就是最為傻大黑粗——建筑，也可以通過3D打印來制造？

（一）傻大黑粗的建筑，為什么要3D打印？

其實，3D打印建筑最造并不起源于3D打印，而是起源于“建筑機器人”。

上世紀70年代，由于人工成本的攀升，工程師們開始研究使用機器人來代替工人進行外墻安裝、水泥澆筑等簡單重復但又十分危險工作。當時，發達國家陸續開發出了混凝土噴射機器人、混凝土鋪面修整機器人、鋼梁防火層噴涂機器人、壁面爬行機器人等。它們極大地降低了勞動力成本，提高了工作效率。

圖2 混凝土破拆機器人，可以破拆混凝土的同時留下鋼筋網

到了21世紀，3D打印技術的工程應用逐漸成熟，建筑師們也開始考慮：與其使用這些種類繁多、零零碎碎的建筑機器人，何不直接搞一個“大一統”，將整棟建筑干脆3D打印出來，這得省去多少麻煩！于是，建筑師們設計出了這樣一種3D打印體系：采用一個幾厘米粗的噴嘴，像普通3D打印那樣一層一層地擠出特制的砂漿來。砂漿在空氣中迅速硬化形成強度，并在上面覆蓋新的一層，進而逐漸打印出整座建筑。

圖3 3D打印建筑的過程

采用這種3D打印的方法，一座獨門獨戶的住宅可以在24小時內建造完畢。盡管3D打印的設備昂貴、材料費用較高，但是全過程幾乎不需要任何人力，工期也接近于零。人力與工期，節省出這兩個“吞金巨獸”，3D打印建筑絕對值了。

而考慮到環保，3D打印建筑更是一騎絕塵。據統計，由于3D打印允許對構件進行更加精密的設計，相比起普通建筑，3D打印建筑可以節約20%的建筑材料。此外，3D打印還完全省去了模板的環節。昂貴的木制或鋼質模板，本身就是一類污染高、壽命短的建筑用具。淘汰模板對建筑行業整體的綠色化意義重大。

圖4 混凝土模板

整個過程下來，3D打印較之傳統建筑方案可以節省40%的建筑成本，將生產效率提高4倍，是建筑行業真正的“未來科技”。

（二）3D打印建筑的材料很特別，是一種特殊配比的混凝土

一般的建筑，其結構構件通常使用的是鋼筋混凝土：先編好結實的鋼筋籠，再將混凝土澆筑上去。等混凝土硬化以后，堅硬而脆的混凝土承擔壓力，里面堅韌的鋼筋籠則承擔拉力。這樣，無論是抗壓的柱、墻，還是抗彎的梁、板，鋼筋混凝土都可以輕易勝任。

然而，鋼筋混凝土結構的修建極其耗費人工，尤其是綁扎鋼筋籠，是一件純手工勞動。可是不綁扎鋼筋，混凝土這種脆性材料無法單獨工作。3D打印建筑不可能打印出鋼筋來，那這個問題該怎么解決呢？

圖5 一處典型的鋼筋籠

3D打印建筑所使用的材料是一種特殊的混凝土。首先，它的骨料介于砂石之間，級配和粒徑都很好，可以被噴嘴很好地接納，同時漿體-骨料比保持優良狀態。此外，3D打印混凝土具有良好的速硬功能。“打印機”走上一圈幾分鐘下來，下面一層的混凝土就該硬化了，不然兩層軟塌塌地混在一起，建筑就蓋不起來了。

3D打印混凝土最關鍵的技術，就是其如何在沒有鋼筋的配合下保持抗彎能力。為此，工程師們向材料中摻加了一定量的玻璃纖維、復合塑料纖維等。這種摻加了纖維的混凝土具有了一定的抗拉性能，不會像傳統混凝土那樣抗壓能力很厲害卻一掰就斷。雖然與鋼筋仍有一定的差距，但是用作3D打印的墻壁、斜屋頂等構件，強度上是綽綽有余的。利用這種方式打印出的建筑具有明顯的層狀結構，但由于材料的膠凝性能出色，層與層之間連接緊密，故而防水能力同樣優良。

圖6 3D打印建筑的外觀

在實際生產中，3D打印建筑的原料凝結很快，不能預先配好用攪拌車運到現場；而其比例又很精密，不能像普通工地那樣讓工人在現場配制。因此，3D打印的混凝土通常是以干混砂漿的形式出現的。它將水泥、砂、纖維及外加劑預先按照一定的比例混合，然后以整袋包裝的形式運到現場，在打印機中與水按嚴密的比例混合，現制現用。

圖7 工業化生產的干混砂漿，質量和均勻性都比現場更有保障

此外，3D打印使用的混凝土還可以吸納多種工業垃圾。像各類礦山尾礦、高爐礦渣、建筑廢料等材料，經過預先精確的研究后，都可以摻入3D打印混凝土中，有些甚至可以增強混凝土的性能。

（三）3D打印想要蓋高，可以分段打印

然而，3D打印建筑也存在著許多缺陷。

這種技術通常適用于單層、獨棟住宅。想要打印2、3層的建筑也不是不可以，但是一旦涉及到二樓以上的樓板，考慮到樓板上面還要放東西、住人，3D打印建筑缺鋼筋的問題就會凸顯出來。這時候，只能采用一些得不償失的補救措施，例如增加拱頂、減小跨距、增加支撐等。這不僅降低了3D打印出的多層住宅的經濟效益，還嚴重影響了用戶的使用舒適性。

此外，要打印的建筑越大，需要的建筑打印機也就越大，進而精度就越差。大型的建筑打印機，每厘米的精度不足3個像素點，這在其它工程領域看來幾乎是個笑話，但對建筑的3D打印來說已經是極限了。這樣的精度下，建筑的強度、抗裂性能、封閉性能也就可想而知了。

圖8 青島制造的世界最大3D建筑打印機，長寬高12米，重達120噸

對于多層建筑，工程上通常采用“分段打印”的方式來建設。首先，設計師將房屋拆成若干個較小的結構單元，在工廠中預先打印出來。待到構件形成強度、性能過關之后，再運到現場進行拼裝。這個過程只是比直接打印略微麻煩了一點，多了現場拼裝的一步；但分段打印構件的精度高，拼接本身不成問題。而且打印的建筑規模不受打印機的限制，即使是幾十層的高層建筑，只要設計合理，分段打印、拼裝出來完全不成問題。可以說，分段打印才是未來3D打印建筑的大趨勢。