3d打印机原理 3d打印机原理是什么

3D打印在建造房屋、桥梁等大型项目领域的潜力到底是什么？其实答案并不神秘，3D打印技术自由造型的技术特点打开了其在建筑领域应用的神奇之旅，那就是实现传统制造技术难以实现的从力学到声学，再到美学的结合。本期，3D科学谷特别集中分享目前3D打印建筑全球发展现状。

3D打印建筑的技术逻辑

? 3D科学谷白皮书

根据3D科学谷，3D打印技术可以让建筑结构颠覆传统建筑的理念。不同于传统直线形的建筑，3D打印能够创建曲线形的建筑物。通过3D打印技术打造建筑结构的方式被称为“轮廓工艺”，原理其他3D打印机类似，通过挤出机将材料一层层打印出来，但是拥有更庞大的体积。轮廓工艺可以3D打印出房子的外墙，并且可以铺设混凝土层，流出水、电、气管道所需的空间。通过3D打印的轮廓工艺可以实现建筑中的空心结构，该方法比传统方法需要消耗的建筑材料更少。

安全性与智能化两不误的发展方向

虽然3D打印房子的安全性以及保暖、防潮等性能还需要接受时间的检验，但是3D打印可以加快工期，通过读取建筑物的数字化模型来实现自动化房屋建造的方式，无疑将为建筑业实现降本、环保和实现颠覆性的建筑结构开辟了一条全新的道路。

? ICON

此前，3D打印的纯混凝土容易发生断裂，因此在建筑物中混凝土需要与钢筋混合在一起使用。新兴的3D打印建筑技术也是一样的道理，在进行混凝土3D打印时要不断停止，在承重部分插入钢筋。根据3D科学谷的了解，在这方面，德国的纤维专家及发明家Kai Parthy，正尝试让3D打印建筑过程更简化和自动化，做法是将可塑性材料BMSF（仿生网钢纤维）在打印过程中自动插入到混凝土材料中，以增强建筑物的硬度和韧性。

另一方面，3D打印更加符合五维建筑信息模型（5D BIM）的发展趋势，五维建筑信息模型（5D BIM）的概念是在3D建筑信息模型基础上，融入“时间进度信息”与“成本造价信息”，形成由3D模型+ 1D进度+ 1D造价的五维建筑信息模型。也就是说5D BIM集成了工程量信息、工程进度信息、工程造价信息，不仅能统计工程量，还能将建筑构件的3D模型与施工进度的各种工作（WBS）相链接，动态地模拟施工变化过程，实施进度控制和成本造价的实时监控。

5D BIM建筑信息模型是建筑业信息化技术、虚拟建造技术的核心基础模型，通过五维建筑信息模型，可以实现以“进度控制”、“投资控制”、“质量控制”、“合同管理”、“资源管理”为目标的数字化三控两管项目总控系统。

与3D打印技术发展相辅相成的其他技术也决定了3D打印在建筑领域的发展前景，包括预组装的技术（用于模块化建筑部件的场外建设）和通过机器人组装现场结构的能力，特别是那些重复性的和可预测的活动，如平铺、砌砖、焊接、阀芯制造、拆迁和混凝土回收利用等工作。

根据麦肯锡，未来的建筑很大一部分与“五维建筑信息建模（5D BIM）”的发展息息相关，这意味着建筑公司可以汇集他们目前不同的3D建模，预算规划和进度计划等多维度的信息，通过软件工具将这些信息整合到一个将整个过程视为一体的单一系统中。5D BIM平台将允许公司即时评估3D结构、成本和时间方面的某些变化将会对整个项目带来的影响。

据法国知名建筑公司圣戈班集团统计，3D打印技术可以为企业节省大约60%的劳动时间和80%的劳动力。通过3D打印技术，还可实现建造过程的结构优化，有效控制建筑废料的产生，降低对环境的影响。设计师利用3D打印技术还可实现更为复杂的设计理念，有助于建筑设计更富创造性。

3D打印建筑市场潜力巨大。据联合国人类住区规划署（人居署）数据显示，到2030年全球大约将有30亿人需要改善住房环境，这意味着每天全球需要新建9.6万套住房。面对巨大的市场需求，迫切需要一种成本更低、建筑效率更高、安全性更强的建筑模式。据专业机构报告显示，全球3D打印建筑市场规模到2027年将达到5.21亿美元，年复合增长率接近25%。欧洲数字建筑领域专家格蕾丝·爱丽丝表示，3D打印建筑技术正以日新月异的速度发展，将带动建筑领域的自动化和数字化，为当前住房短缺和劳动力紧缺的全球性难题提供解决方案。

从房屋到小型办公楼的3D打印

今年的3D打印建筑案例包括迪拜的办公大楼，德国的民居，美国的民居，中国的民宅及桥梁，以及NASA的火星居住地畅想。

l 书屋

清华大学建筑学院徐卫国教授团队设计建造了上海宝山智慧湾科技园的3D打印书屋，书屋是上海“艺术之桥”空间的一部分。通过机器人3D打印设备进行混凝土材料的逐层堆叠打印从而建成这一曲面形体的图书小屋，该图书小屋总面积约30平方米，可容纳15人进行各种活动。用于该书屋打印的材料为团队自主研发的纤维混凝土其间不加钢筋、建造中不用模板，书屋的打印用了2台机器臂打印系统，一台原位打印建筑基础及主体结构，另一台现场预制打印弧墙及穹隆顶，每台打印设备需要2人操作，施工过程中总共需要4-5位施工人员参加。

3D打印上海宝山区智慧湾科技园书屋

? 清华大学

书屋的墙体构造采用空心墙体设计，其间填充保温砂浆形成保温隔热墙体，该书屋的建筑表面有2种肌理。一种为叠层打印所形成的层叠表面，另一种为精心设计的编织图案肌理，后者位于入口侧墙，让人具有细腻的感觉。该书屋的设计建造表明3D打印作为智能建造的一种方式不仅节省材料、节省人力，同时建造效率高、施工速度快并且可以实现不规则形状的建筑建造，保证高质量的建筑品质。

l 德国民宅

德国PERI 早在 2018 年就收购了 COBOD 的股份，此后一直使用 COBOD 的 BOD2 打印机在德国和美国打印建筑物。据悉，由于PERI 在全球和国内都是混凝土手工浇注模板设备的领先供应商之一，因此该公司参与 3D 建筑打印是一项显着的发展，标志着传统建筑行业已经了解自动化和数字化是建筑行业的未来。除其他技术外，这显然会影响机器人 3D 建筑打印机的使用。

PERI 3D打印了位于北莱茵-威斯特法伦州 Beckum 的两层独立住宅。两层楼拥有160平方米的居住空间，该结构是使用丹麦制造商 Cobod 的BOD2打印机完成的。它由海德堡水泥公司开发的被称为i.tech 3D的材料组成，得到了北莱茵-威斯特法伦州的支持。

德国北莱茵-威斯特法伦州 Beckum 的两层独立住宅

? PERI

l美国住宅项目

东17街住宅项目区是一套创造性的3D打印房屋，位于德克萨斯州奥斯汀市，是美国发展最快的城市之一。该项目房屋由美国堪萨斯城开发商3Strands公司开发，由 Logan Architecture 设计，建筑技术公司 ICON 提供3D打印技术、软件和材料建造。

ICON 使用 Vulcan 打印机3D打印房屋

? ICON

首批房屋共有四种不同类型的住宅，房屋设计要包括大型有顶前廊、宽敞的前院、停车场和量身定制的室内设计，极具建筑美感。

在房屋第一层，墙体采用一种名为 Lavacrete 的水泥状材料3D打印而成，打印大约需要一周时间，后填充入绝缘材料和钢材，能够使房屋更加节能，同时又比常规建造的建筑物更加防火、防洪和防大风。在第二层，一个有着传统结构，被金属和木材包裹的体量位于3D打印的结构上。

l迪拜办公大楼

迪拜市政府用楼将在建成之后成为当时世界上最大的3D打印建筑其高达9.5米，项目面积为640平方米。此项目由总部设在美国的ApisCor公司来主持设计建造，而其结构也是在现场用3D打印技术直接建起的。Apis Cor是建筑工程行业中第一家开发3D打印专用设备的公司，为迪拜市政府用楼建造，完成了一座两层的行政大楼中的3D打印墙体结构，这创新的3D打印机使建筑结构可以直接现场建造，无需任何额外的组装工作，此项目面积延展640多平方米，可移动的3D打印装置通过起重机在场地进行移动定位，以此覆盖整个建造区域。事实上，3D打印整个建筑的墙体结构，只需要3个工人和配套的机器装置。

迪拜政府大楼

此建筑项目的地基是传统的建筑结构而墙壁是3D打印建造的。加固的方法是“用钢筋和普通混凝土来人工填充由3D打印的柱子模板”。在这个项目中使用的3D打印材料是由ApisCor开发并在当地生产的一种基于石膏制成的混合物。

迪拜政府大楼

lNASA的畅想

如果未来人们移居火星，房子会建成什么样子？美国航空航天局（NASA）通过组织比赛，进行成奇思妙想的畅想。

NASA太空建筑畅想

NASA火星表面栖息地

畅想通常会在未来的某一个时刻悄悄的变为现实，3D打印将如何与建筑业发生深度的结合，3D科学谷将保持持续关注。

参考资料：

1.《欧洲多国探索3D打印建筑》/人民日报

2.《机器人3D打印混凝土书屋，清华大学徐卫国教授团队制作》/土木视界

3. 《3D打印将重新定义住房 》/FRAME构架

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