交匯點訊 高達10層的靈動流線曲面造型，通過固廢處置再利用制成的圓形外立面，虛擬與現(xiàn)實耦合工程管理系統(tǒng)的智能建造技術(shù)——在南京江北新區(qū)市民中心游客服務(wù)中心，記者被眼前的這座現(xiàn)代化建筑所震撼。作為全國首例3D打印全裝配式綠色智慧建筑，這里不久前斬獲中國建筑行業(yè)工程質(zhì)量榮譽獎“天花板”魯班獎。一系列“硬核”科技加持的背后，3D打印技術(shù)無疑是最驚艷的一筆。

正如20世紀初鋼筋混凝土技術(shù)對建筑學(xué)產(chǎn)生深遠影響，當下3D打印技術(shù)也正重塑建筑新業(yè)態(tài)。4月20日-29日，“增材建造與材料運算”國際學(xué)術(shù)研討會在線舉行，中外多所高校學(xué)者圍繞3D打印技術(shù)展開討論。這項技術(shù)如何改變傳統(tǒng)建造模式？普通材料如何“變身”成為3D打印可用的“超材料”？《科技周刊》記者采訪相關(guān)專家，為大家揭秘。

免模板 無廢料

輕松打造自由曲面

將預(yù)先設(shè)計好的3D數(shù)字建筑模型“輸入”3D打印機器人系統(tǒng)，由機械臂一層層“擠出”特制的“油墨”——建筑材料，逐層堆積并粘合為建筑實體。3D打印建筑誕生的過程并不難理解，但實際上，從減材制造轉(zhuǎn)變?yōu)樵霾闹圃欤Ｊ缴?ldquo;質(zhì)的飛躍”是建筑數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵所在。

“傳統(tǒng)的減材制造是在原料基礎(chǔ)上將不需要的部分去除，保留需要的部分，就好像我們量體裁衣，在不斷修剪布料后最終縫制成合適的衣服；而以3D打印技術(shù)為代表的增材制造技術(shù)則是在建造過程中逐步將材料累加，最終形成所需要的物品。這種逐層堆積的特性意味著制作全程沒有廢料，完全貼合需求。”南京綠色增材智造研究院院長、東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授張亞梅向記者介紹，由于免模板、設(shè)計自由、節(jié)約材料、縮短工期、少人工等優(yōu)點，3D打印技術(shù)近年來頗受建筑業(yè)人士關(guān)注。“立模、配筋、現(xiàn)澆、拆除模板的傳統(tǒng)建造方式過程復(fù)雜，開模和人工成本高，而使用3D打印技術(shù)則無需制作模板，且采用智能化控制工藝，工期可縮短約30%-80%。”

迪拜未來基金會（DFF）創(chuàng)造的世界首個3D打印商業(yè)大樓高6米，長36.5米，寬約12.1米，而這個擁有未來主義外表的辦公樓其實只用了一臺3D打印機，打印時間僅耗費17天，安裝僅耗時2天，需要的人力比傳統(tǒng)建筑節(jié)省50%，所產(chǎn)生的建筑垃圾也減少了60%。

無需模板，意味著建筑形狀不受限制，3D打印技術(shù)下的設(shè)計自由度更高。在上海寶山智慧灣科技園內(nèi)，由清華大學(xué)建筑學(xué)院徐衛(wèi)國教授團隊設(shè)計并建造的3D打印書屋去年剛剛啟用。這座曲面形體的書屋采用空心墻體設(shè)計，建筑表面的兩種獨特肌理交相輝映，讓人仿若置身科幻大片之中；以莫比烏斯環(huán)為原型，荷蘭一家建筑事務(wù)所利用3D打印技術(shù)創(chuàng)造了一間“沒有起點也沒有終點”的莫比烏斯屋（LandscapeHouse）。帶狀的空間中，天花板與地板相互輪換，給人奇妙的視覺體驗。

“基于力學(xué)結(jié)構(gòu)的運算和3D數(shù)字建模，就可以通過3D打印技術(shù)在現(xiàn)實中1:1還原。”東南大學(xué)建筑學(xué)院副教授華好表示，在建筑設(shè)計中，考慮到曲面模板難度大、復(fù)雜程度高等多種原因，不規(guī)則的自由曲線造型常常讓很多設(shè)計師望而卻步，而借助無需模板、全自動化操作的3D打印技術(shù)，讓許多傳統(tǒng)方式無法實現(xiàn)的復(fù)雜造型得以實現(xiàn)，賦予了建筑空間無限可能。

拓撲優(yōu)化 塑造未知

建筑“超材料”應(yīng)運而生

在荷蘭阿姆斯特丹的一個廢棄工業(yè)區(qū)中，一間由3D打印技術(shù)建造而成的8平米城市小屋吸引了不少路人的注意。獨特幾何外立面由可降解黑色生物材料打印制成，為小屋帶來了足夠的絕緣保溫效果和極低材料消耗；幾何墻板內(nèi)部的獨特蜂窩塑料結(jié)構(gòu)，既為墻壁“減了負”，也為小屋提供穩(wěn)定支撐。目光轉(zhuǎn)向江蘇南京，2020年11月，全球最大的改性塑料3D打印建造體——南京歡樂谷主題樂園東大門正式投入使用?；谟嬎阈詭缀蔚亩嗑S雙曲面在多孔性穿透下得到無限擴展，跨度長達30米的異形不規(guī)則懸挑不僅展現(xiàn)了設(shè)計難度，更展現(xiàn)了建造精度。

物理現(xiàn)實和數(shù)字世界之間的聯(lián)系日益緊密，數(shù)字化設(shè)計與建造所涉及的規(guī)模與復(fù)雜度均在增加，使當今的軟件工具和生產(chǎn)設(shè)備也變得日益復(fù)雜。設(shè)計、制造和建筑之間的信息回路變得至關(guān)重要，支撐設(shè)計的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)正迅速成為建筑研究和設(shè)計的核心部分。在3D打印制造模式中，材料本身不再是客觀的先決條件，而是一個有待被塑造的積極因素。

“現(xiàn)有的增材建造技術(shù)體系依然受制于傳統(tǒng)工藝與傳統(tǒng)材料，普通材料的3D打印往往難以保證建筑結(jié)構(gòu)的最優(yōu)性能，也使得3D打印建筑的獨特優(yōu)勢無法充分彰顯。”華好向記者解釋，得益于3D打印技術(shù)與優(yōu)化算法的結(jié)合，人們?nèi)缃裢耆心芰νㄟ^改造材料性能，在微觀層面對普通材料進行性能重塑，從而創(chuàng)造一批建筑領(lǐng)域的“超材料”，其中一項關(guān)鍵的運算化設(shè)計技術(shù)為“拓撲優(yōu)化”。

在拓撲優(yōu)化后，材料的熱脹冷縮屬性可以被轉(zhuǎn)變?yōu)闊峥s冷脹；使用的打印原料是厚重的金屬，但生成的墻體卻可以像羽毛一樣輕盈。2017年，“云亭”亮相于上海城市空間藝術(shù)季臨港聯(lián)合展開幕儀式，這座復(fù)雜曲面造型的抽象空間正是通過拓撲優(yōu)化而實現(xiàn)。“云亭”以加入特殊纖維的熱塑性高分子材料為3D打印原料，使其兼具強度高、韌性好、易加工等優(yōu)勢。“建筑物要堅固，這是建筑設(shè)計的基本需求，但在3D打印技術(shù)的助推下，牢固不一定非要依靠鋼材、混凝土，數(shù)字化制造的建筑材料也可以又輕又硬。”華好說。

更綠色 更智能

讓更多人有房可住

今年初，住建部發(fā)布《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，其中明確提出，要加快智能建造與新型建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展。大力推進3D打印建筑，實際上也是智能建造中的重要一環(huán)。

歷經(jīng)幾十載的飛速發(fā)展，3D打印技術(shù)已經(jīng)一步步融入醫(yī)療、生物、設(shè)計等各領(lǐng)域，而在建筑領(lǐng)域，3D打印建筑還剛剛起步。大膽暢想，未來3D打印建筑的墻面或許可以像生物的毛孔一樣，當環(huán)境溫度較高時，它可以通過微觀尺寸的空洞進行通風(fēng)，而當環(huán)境溫度較低時，這些極其微小的“窗戶”便會自動密封。“屆時，人造材料也可以模仿自然界的材料，在傳統(tǒng)建造模式下無法想象的仿生結(jié)構(gòu)，也許可以成為現(xiàn)實。”華好認為，鑒于3D打印建筑的高度定制化，“一幢一樣，每戶不同”，未來的房屋可以更好地滿足每個人個性化的居住需求。

在張亞梅看來，盡管不斷有新材料橫空出世，但不論是智能建造還是智慧城市，未來3D打印建筑的原料仍將會以混凝土結(jié)構(gòu)為主。因此，如何提升鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能對于3D打印建筑未來發(fā)展來說至關(guān)重要。

在安徽合肥廬陽文創(chuàng)園內(nèi)，由建筑廢料回收材料3D打印而成的垃圾分類回收站，展示了混凝土與固廢相結(jié)合的新可能。建筑垃圾經(jīng)由專用破碎機清洗粉碎后，篩分出合適的顆粒，由實驗室通過配比數(shù)據(jù)和試驗，“回爐重造”成為打印原料。“隨著城市化進程的加快，建筑固廢問題也愈發(fā)嚴重，利用3D打印技術(shù)將固廢資源化利用，無疑激活了建筑固廢的‘第二生命’。”張亞梅說。

目前，全球多家初創(chuàng)公司正在利用3D打印技術(shù)，在24小時甚至更短的時間內(nèi)建造出適合居住的房屋。美國3D打印創(chuàng)業(yè)公司ICON和非盈利組織NewStory合作，為墨西哥農(nóng)村低收入家庭和生活在惡劣環(huán)境中的人們提供負擔(dān)得起的3D打印住房。借助一臺大型3D打印機，該協(xié)作團隊已經(jīng)建造了整個3D打印住宅社區(qū)，每個房子的建造時間不到24小時，面積為500平方英尺（約合46.5平方米），屋頂、窗戶和內(nèi)部裝飾一應(yīng)俱全。NewStory團隊表示，我們面臨的挑戰(zhàn)是巨大的，全球有超過10億人生活在無瓦遮頭的地方。為了降低這個數(shù)字，必須要提升規(guī)模化能力。

“隨著社會老齡化程度加深，建筑工人的數(shù)量也持續(xù)下降。投入較少的人力，就可以進行建筑的大規(guī)模生產(chǎn)，3D打印建筑既解決了建筑工人之‘渴’，也能夠幫助更多人有房可住。”張亞梅進一步表示，未來3D打印建筑要想更大規(guī)模發(fā)展，材料和技術(shù)上的發(fā)展瓶頸也不容忽視。“例如3D打印技術(shù)可以分別打印混凝土和鋼筋，卻無法同步進行打印。配筋問題沒有得到很好的解決，這在一定程度上限制了3D打印建筑的發(fā)展。”

新華日報·交匯點記者 謝詩涵