3D打印技术使用的是一种加入玻璃、塑料等纤维的特殊混凝土，通过分段打印实现高层建筑建造，不仅可以满足高端住宅的需要，也能满足中低收入人群的居住需求。

    现如今，3D打印早已不是什么新鲜事了。各行各业的人可能都接触过这种东西：在电脑中画个模型，喷嘴就开始一层一层地工作，喷出光敏树脂、金属粉末、石膏等，很快就能将电脑中的模型原原本本地制造出来。

    3D打印的应用面非常广，从航空航天领域的精密零件，到医生手中严丝合缝的支架，再到设计师手中精美的珠宝、服饰和雕塑，都可以通过3D打印来完成。

    图1 3D打印出精致的航空零件

    但你是否知道，与精密相对，另一个极端，也就是最为傻大黑粗——建筑，也可以通过3D打印来制造？

    （一）傻大黑粗的建筑，为什么要3D打印？

    其实，3D打印建筑最造并不起源于3D打印，而是起源于“建筑机器人”。

    上世纪70年代，由于人工成本的攀升，工程师们开始研究使用机器人来代替工人进行外墙安装、水泥浇筑等简单重复但又十分危险工作。当时，发达国家陆续开发出了混凝土喷射机器人、混凝土铺面修整机器人、钢梁防火层喷涂机器人、壁面爬行机器人等。它们极大地降低了劳动力成本，提高了工作效率。

    图2 混凝土破拆机器人，可以破拆混凝土的同时留下钢筋网

    到了21世纪，3D打印技术的工程应用逐渐成熟，建筑师们也开始考虑：与其使用这些种类繁多、零零碎碎的建筑机器人，何不直接搞一个“大一统”，将整栋建筑干脆3D打印出来，这得省去多少麻烦！于是，建筑师们设计出了这样一种3D打印体系：采用一个几厘米粗的喷嘴，像普通3D打印那样一层一层地挤出特制的砂浆来。砂浆在空气中迅速硬化形成强度，并在上面覆盖新的一层，进而逐渐打印出整座建筑。

    图3 3D打印建筑的过程

    采用这种3D打印的方法，一座独门独户的住宅可以在24小时内建造完毕。尽管3D打印的设备昂贵、材料费用较高，但是全过程几乎不需要任何人力，工期也接近于零。人力与工期，节省出这两个“吞金巨兽”，3D打印建筑绝对值了。

    而考虑到环保，3D打印建筑更是一骑绝尘。据统计，由于3D打印允许对构件进行更加精密的设计，相比起普通建筑，3D打印建筑可以节约20%的建筑材料。此外，3D打印还完全省去了模板的环节。昂贵的木制或钢质模板，本身就是一类污染高、寿命短的建筑用具。淘汰模板对建筑行业整体的绿色化意义重大。

    图4 混凝土模板

    整个过程下来，3D打印较之传统建筑方案可以节省40%的建筑成本，将生产效率提高4倍，是建筑行业真正的“未来科技”。

    （二）3D打印建筑的材料很特别，是一种特殊配比的混凝土

    一般的建筑，其结构构件通常使用的是钢筋混凝土：先编好结实的钢筋笼，再将混凝土浇筑上去。等混凝土硬化以后，坚硬而脆的混凝土承担压力，里面坚韧的钢筋笼则承担拉力。这样，无论是抗压的柱、墙，还是抗弯的梁、板，钢筋混凝土都可以轻易胜任。

    然而，钢筋混凝土结构的修建极其耗费人工，尤其是绑扎钢筋笼，是一件纯手工劳动。可是不绑扎钢筋，混凝土这种脆性材料无法单独工作。3D打印建筑不可能打印出钢筋来，那这个问题该怎么解决呢？

    图5 一处典型的钢筋笼

    3D打印建筑所使用的材料是一种特殊的混凝土。首先，它的骨料介于砂石之间，级配和粒径都很好，可以被喷嘴很好地接纳，同时浆体-骨料比保持优良状态。此外，3D打印混凝土具有良好的速硬功能。“打印机”走上一圈几分钟下来，下面一层的混凝土就该硬化了，不然两层软塌塌地混在一起，建筑就盖不起来了。

    3D打印混凝土最关键的技术，就是其如何在没有钢筋的配合下保持抗弯能力。为此，工程师们向材料中掺加了一定量的玻璃纤维、复合塑料纤维等。这种掺加了纤维的混凝土具有了一定的抗拉性能，不会像传统混凝土那样抗压能力很厉害却一掰就断。虽然与钢筋仍有一定的差距，但是用作3D打印的墙壁、斜屋顶等构件，强度上是绰绰有余的。利用这种方式打印出的建筑具有明显的层状结构，但由于材料的胶凝性能出色，层与层之间连接紧密，故而防水能力同样优良。

    图6 3D打印建筑的外观

    在实际生产中，3D打印建筑的原料凝结很快，不能预先配好用搅拌车运到现场；而其比例又很精密，不能像普通工地那样让工人在现场配制。因此，3D打印的混凝土通常是以干混砂浆的形式出现的。它将水泥、砂、纤维及外加剂预先按照一定的比例混合，然后以整袋包装的形式运到现场，在打印机中与水按严密的比例混合，现制现用。

    图7 工业化生产的干混砂浆，质量和均匀性都比现场更有保障

    此外，3D打印使用的混凝土还可以吸纳多种工业垃圾。像各类矿山尾矿、高炉矿渣、建筑废料等材料，经过预先精确的研究后，都可以掺入3D打印混凝土中，有些甚至可以增强混凝土的性能。

    （三）3D打印想要盖高，可以分段打印

    然而，3D打印建筑也存在着许多缺陷。

    这种技术通常适用于单层、独栋住宅。想要打印2、3层的建筑也不是不可以，但是一旦涉及到二楼以上的楼板，考虑到楼板上面还要放东西、住人，3D打印建筑缺钢筋的问题就会凸显出来。这时候，只能采用一些得不偿失的补救措施，例如增加拱顶、减小跨距、增加支撑等。这不仅降低了3D打印出的多层住宅的经济效益，还严重影响了用户的使用舒适性。

    此外，要打印的建筑越大，需要的建筑打印机也就越大，进而精度就越差。大型的建筑打印机，每厘米的精度不足3个像素点，这在其它工程领域看来几乎是个笑话，但对建筑的3D打印来说已经是极限了。这样的精度下，建筑的强度、抗裂性能、封闭性能也就可想而知了。

    图8 青岛制造的世界最大3D建筑打印机，长宽高12米，重达120吨

    对于多层建筑，工程上通常采用“分段打印”的方式来建设。首先，设计师将房屋拆成若干个较小的结构单元，在工厂中预先打印出来。待到构件形成强度、性能过关之后，再运到现场进行拼装。这个过程只是比直接打印略微麻烦了一点，多了现场拼装的一步；但分段打印构件的精度高，拼接本身不成问题。而且打印的建筑规模不受打印机的限制，即使是几十层的高层建筑，只要设计合理，分段打印、拼装出来完全不成问题。可以说，分段打印才是未来3D打印建筑的大趋势。

    图9 安装中的3D打印建筑构件

    （四）建筑的3D打印正规化、商业化正在中国一步步推进

    在建筑的3D打印方面，中国始终走在时代的前列。有人说，“中国是唯一一个真正掌握了3D打印建筑的国家。”这句话虽然夸张，但目前，中国确实是唯一一个能够生产出“可堪一用”的3D建筑的国家。

    2015年1月18日，中国向世界展示了全球最高的3D打印建筑“6层楼居住房”和全球首个带内装、外装一体化的1100平方米精装别墅。

    这些3D打印的房子，都是事先在工厂中分楼层打印好，切割后运到现场，再配之以现浇楼板，在整体安全性、功能性上可以达到与普通建筑不相上下的程度。在未来，施工现场布置几台3D打印机，然后完整地打印出一二百米高的高层建筑并不是梦。

    至于独栋别墅的打印技术，目前已经相对成熟。一套别墅的打印价格只有100万元，相比起大城市别墅的售价而言基本可以忽略。今后，别墅的业主可以定制个性化的房子。同一个小区的几百栋建筑可以做到结构千差万别，安全性却有保障。

    而更加成熟的单层建筑打印技术早已远销海外，这种3D打印住宅仅埃及一国就订购了两万套。

    图10 3D打印的别墅

    目前，中国正在编制3D打印建筑产业相关规范标准，并与国外的先进科研力量合作，将建筑3D的正规化、商业化一步步推行下去。在未来，3D打印的建筑一定会占满我们的大街小巷，为我们营造科幻之城、绿色之城。

    结语：

    建筑3D打印技术不仅可以满足高端住宅的需要，也能满足中低收入人群的需要。在未来，中国的3D打印建筑将在中东、非洲等地设厂，就地取材，使用沙漠中的砂子作为优质骨料，配合国产的3D打印混凝土配方，为低收入人群提供便宜又舒适的房子。

    本文转自知乎作者了不起的中国制造，链接：https://zhuanlan.zhihu.com/c_128290580。

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