“世界首例原位3D打印双层示范建筑”主体结构完成——
“打印”出来的房子啥模样
“世界首例原位3D打印双层示范建筑”效果图。
3D打印墙体特写照片。
施工人员在3D打印墙体施工中。（图片由中建二局华南公司提供）
随着3D打印建筑技术的不断发展，其对整个建筑行业的影响在不断加深。日前，“世界首例原位3D打印双层示范建筑”在广东成功完成主体结构，意味着我国建筑3D打印技术在某些应用方面已经超越国外同行，未来有望深入改变我们的生活。
两层小楼，7.2米高，一层层叠起的墙体，颜色灰突突的。在一栋栋摩天大厦拔地而起、众多地标性建筑彰显特色的今天，这样一栋小楼，显得很平常。
但是，如果这栋小楼是“3D打印”出来的呢？
这栋小楼不寻常
11月17日，中建二局广东建设基地。一个高大的金属框架立在地面，喷吐混凝土材料的“打印头”悬挂其上，可以实现XYZ轴3个方向上的自由移动。此时，连续“喷墨”几十个小时的建筑3D打印机已经完成了工作——这栋其貌不扬的小楼就是它的作品。
小楼有个响当当的名号——“世界首例原位3D打印双层示范建筑”。其特殊性在于，它是一栋“原位3D打印”出来的建筑，是一栋不用拼装、在现场直接将主体打印成形的建筑，也是一栋首次运用这项技术并成功完成的双层建筑。同时，这也意味着我国建筑3D打印技术与国际同步发展，甚至在某些应用方面已经超越国外同行。从这个角度看，这栋小楼不寻常。
3D打印技术诞生于上世纪90年代中期。一般认为，这是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，在航空航天、医疗产业等领域都有应用，而应用在建筑方面还很少见。
中国建筑技术中心材料工程研究所所长助理霍亮介绍：“3D打印建筑的基本原理与一般打印机一样，要有打印机体、喷头、油墨、纸张。”如果把建筑四周搭建的金属框架视作打印机的机体，那么喷吐混凝土的“打印头”就相当于打印机的喷头。建筑打印用的“油墨”可不是普通的混凝土，而是为打印施工特殊配制的打印材料。当然，“纸张”也十分重要。在施工前，工人在地下预埋钢筋，这就相当于“纸张”了。打印头通过一圈一圈连续喷吐宽5厘米、厚2.5厘米的打印材料，经过层层堆积建造墙面，不到30个小时就能打印完占地面积约120平方米的一层楼墙面。而且在打印过程中，随着墙体不断升高，还需要按照图纸加装钢筋，使“纸张”实现动态延伸。
“工人可以趁着混凝土砂浆尚未凝固时在墙体底部开洞，为墙体内的钢筋笼与地基中的钢筋焊接预留出空间。”中建二局广东建设基地有限公司科技部副经理黄云补充说，“手感像是切蛋糕，操作起来相当方便”。
打印技术不寻常
且不说现场观感，从技术层面描述建筑的“打印”过程也不复杂：先是通过计算机软件完成模型分割；接着将三维图形信息转化成打印路径，同时计算出打印速度；然后输送泵将打印材料送至打印头，打印头再按照设定程序进行三维走位，建筑构件就被“打印”出来了。此次打印完成占地面积约120平方米的一楼墙面，用时不到30个小时。
然而，新技术简单易行的背后是科技力量的强大支撑。
一是打印材料不寻常。宽5厘米、厚2.5厘米的混凝土材料一层覆盖一层，如果下层混凝土凝结慢，强度不够，就无法支撑上层材料的重量，有可能导致墙面变形甚至垮塌；如果凝结得太快，每一层材料与上层材料的有效黏合又难以实现。如何让混凝土满足3D打印建筑的需求，本身就是个难题。“我们通过反复试验，在普通混凝土中添加了外加剂，通过调节材料黏稠度和凝结时间，解决了这一问题。”霍亮说。
二是原位3D打印建筑技术不寻常。客观地看，在建筑行业引入“3D打印”技术已有先例，但大部分应用都在工厂中完成。工厂打印出能够组合拼装成形的各种建筑构件，然后搬运到建筑所在地进行拼装。而原位3D打印建造技术可以实现原位打印，即在现场直接将主体打印成形，无需二次拼装，这需要克服户外环境变化带来的一系列挑战。对此，施工人员在建筑周边装备喷雾设施，用于打印中的保湿和打印后的混凝土养护。“饭要一口一口吃，楼要一层一层印。在一层墙体打印完成后，我们还需养护至少3天，确保材料强度达到可开展下阶段施工的条件。”中建二局广东建设基地有限公司总工程师苏铠说。
三是建造难度不寻常。此次实践，他们采用轮廓工艺，分内外两层打印，打印出的墙体是“空心”的，方便添加保暖填充物。而将这项技术成功运用到难度更大的双层建筑建造上，更是一种突破。
在不寻常中求索“寻常”
研制3D打印建筑，意义何在？
苏铠向记者介绍：与传统施工技术相比，3D打印技术的机械化程度更高、成本更低；而且整个施工过程不需要模板，不但能节约材料约60%，还可减少建造过程中的工艺损耗和能源消耗；由于3D技术打印房屋全部使用机械自动化操作，以往要十几名工人操作的项目完全可以减少一半人力；特别重要的是，整个施工过程更加安全，工人的劳动强度也降低不少。
站在更大的格局上看，建筑3D打印技术对整个建筑行业的影响亦在不断加深。一方面，应用这一技术可实现更高的设计自由度，这为建筑设计师的自由创作提供了更多可能；另一方面，这一技术可实现更高的定制化要求，能推动建筑的标准化与个性化更好结合。“这将是一个打破传统束缚、使建筑结构顺应个性化需求的过程。”霍亮说。
无论技术有多牛，能否实现大规模应用才是关键。于是，在一系列不寻常中求索“寻常”，是建筑3D打印技术研发团队始终关注的问题。此次原位3D打印技术的成功应用，克服了需要大量机械吊装预制构件、构件二次运输等问题，为3D打印技术在建筑领域的推广奠定了基础。
现实地看，从技术突破到应用推广，建筑3D打印还有很长一段路要走，还有一些难题尚未解决。比如，3D打印具有无模板的优点，但是打印墙体中的横向钢筋、竖向钢筋、箍筋的布置和连接在目前的工艺中还不能有效解决；又如，不同建筑环境对打印材料的要求也不同，研发具有更优越强度及耐久性的建筑3D打印材料，也是建筑3D打印技术更好推广的重要基础；再如，建筑3D打印机也需要进一步强化能力、实现更多功能，能够根据建筑的体量大小、建筑场地附近的施工条件以及施工进度的要求，进行全尺寸打印、分段组装式打印、群组机器人集合打印等。
因此，霍亮特别强调：“建筑3D打印技术与现有施工技术是互补的、相互依靠的关系。研发及应用这一技术不是要替代现有施工技术，而是将其作为对现有施工技术的一个强有力补充。”
虽然未来的不确定性很多，但可以预见的是，由于建筑3D打印技术的不断发展，整个建筑行业的设计、施工思路与方法必将随之变化。建筑师、工程师和建筑工人将借助科技之力，将建筑与3D打印结合，完成对现有建筑技术的再造。
