3D打印以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體，形成“數(shù)字化制造”。而將3D打印運(yùn)用于建筑領(lǐng)域則發(fā)展為一種新型的建造技術(shù)——3D混凝土打印技術(shù)，也叫做3D“水泥印刷”。3D混凝土打印技術(shù)意味著我們在未來可以直接打印各種大樓、橋梁等構(gòu)造。該技術(shù)可以讓建筑師享受藝術(shù)自由，擺脫當(dāng)前傳統(tǒng)建筑方法的束縛。

　　建筑業(yè)是世界經(jīng)濟(jì)中最大的產(chǎn)業(yè)之一，全球總價值約10萬億美元(相當(dāng)于GDP的13%)。但與其他行業(yè)相比，建筑業(yè)近幾十年的生產(chǎn)力和效率低下。自20世紀(jì)50年代以來，農(nóng)業(yè)和制造業(yè)的生產(chǎn)率提高了10~15倍，而建筑業(yè)的生產(chǎn)力水平仍然停留在80年前。造成這種結(jié)果的主要原因是建筑業(yè)仍然是手工建造，而其他行業(yè)已經(jīng)在數(shù)字、傳感和自動化技術(shù)的使用方面取得了重大進(jìn)展。

　　澳大利亞斯威本科技大學(xué)(Swinburne University of Technology)杰伊•桑利亞安(Jay Sanjayan)教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組將3D打印混凝土視為解決這些問題的可能方案。他們認(rèn)為該技術(shù)能夠使建筑師自由地為新結(jié)構(gòu)注入更多創(chuàng)意。

　　傳統(tǒng)建筑業(yè)施工面臨的問題

　　現(xiàn)代化的民用基礎(chǔ)設(shè)施幾乎完全用混凝土建造，每年使用的混凝土超過200億噸。傳統(tǒng)建筑行業(yè)面臨著許多嚴(yán)重的問題，包括施工現(xiàn)場低下的勞動效率和頻頻發(fā)生的事故。根據(jù)澳大利亞統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)，建筑業(yè)的工傷率最高達(dá)到5.9%(每1000名工人中有59人)。

　　此外，建筑工地的質(zhì)量控制存在更多困難：高水平的廢物和碳排放，高額的成本以及管理大型工作場所的技術(shù)勞動力正在消失。而3D混凝土打印等顛覆性技術(shù)可以提供解決方案。

　　3D混凝土打印的優(yōu)勢

　　3D混凝土打印技術(shù)通過添加材料層來構(gòu)造對象。傳統(tǒng)的施工方法涉及將混凝土澆注到模具(稱為模板)中。但添加材料層結(jié)構(gòu)可以將數(shù)字化技術(shù)與材料技術(shù)的相結(jié)合，在不使用模板的情況下進(jìn)行自由形式的構(gòu)造。

　　消除模板成本是3D混凝土打印技術(shù)的主要經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力。使用木材等建筑材料，模板約占混凝土施工總成本的60%。同時，建筑材料也是一種重要的廢物來源，因?yàn)樗t早會被丟棄。根據(jù)2011年的一項(xiàng)研究，建筑業(yè)丟棄的建筑材料占全球廢物總量的80%。

　　將混凝土澆注到模板中也限制了建筑師創(chuàng)造獨(dú)特建筑結(jié)構(gòu)的創(chuàng)造力，而且定制模板需要高昂的成本。而自由形式的添加材料層可以增強(qiáng)建筑的可能性，生產(chǎn)結(jié)構(gòu)部件的成本與形狀無關(guān)，使建筑師徹底從傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)的固定模型設(shè)計(jì)中解脫出來。

　　3D混凝土打印的用途

　　正在探索的3D混凝土打印技術(shù)可以用于建造房屋、橋梁、建筑物甚至是風(fēng)力渦輪機(jī)塔架。下面舉兩個例子，分別是利用3D打印技術(shù)建造的別墅和鋼鐵大橋。

　　3D打印別墅北京市通州工業(yè)園區(qū)有一座別墅，是全球首座3D現(xiàn)場整體打印的建筑物，它不同于以往國內(nèi)外的3D打印建筑，該別墅是現(xiàn)場“整體打印”，將機(jī)器人手臂連接到3D打印機(jī)頭，施工45天完成。

　　用于混凝土打印研究的3D打印機(jī)

　　鋼鐵大橋MX3D研究和發(fā)展公司利用3D混凝土打印技術(shù)“打印”出一座鋼鐵橋梁。該橋長約24英尺，位于荷蘭阿姆斯特丹市中心，擁有非常復(fù)雜的幾何學(xué)設(shè)計(jì)。該公司利用建筑專用3D打印機(jī)器人歷時兩個月便完成了一座精美的鋼鐵大橋。

　　當(dāng)涉及構(gòu)建非直線形狀時，3D混凝土打印技術(shù)具有優(yōu)于傳統(tǒng)構(gòu)造方法的優(yōu)點(diǎn)。然而，該技術(shù)研究領(lǐng)域仍處于起步階段?；炷?span lang="EN-US">3D打印技術(shù)發(fā)展的最大障礙是混凝土本身。目前，常規(guī)形式的混凝土不適合3D打印，因此需要開發(fā)新的替代品;而且在實(shí)際打印混凝土?xí)r，需要特殊的打印機(jī)。研究人員正在探索各種類型的混凝土和用于3D混凝土打印的新型打印機(jī)或機(jī)器人。不過，我們相信3D混凝土打印技術(shù)將會迅速地發(fā)展，并將顛覆傳統(tǒng)的建筑行業(yè)，而且它的建筑也將驚艷世界。

來源： 科學(xué)媒介中心