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2014年9月第2期

3D打印建筑 離我們還有多遠?

01

第三次工業革命:3D打印改變世界

  2012年4月,英國著名財經雜志《經濟學人》報道稱“3D打印將推動第三次工業革命”;同年,美國著名科技雜志《連線》十月刊則將《3D打印機改變世界》作為封面報道,在雜志主編安德森看來,這是比互聯網革命更大的事兒,他甚至辭職參與3D打印創業去了。

  那什么是3D打印?維基百科上的解釋:“這是快速成形技術的一種,它運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過一層又一層的多層打印方式,來構造零物件。模具制造、工業設計常將此技術用于建造模型,現在正向產品制造的方向發展,形成‘直接數字化制造’”。簡單來說,3D打印,就是在普通的二維打印的基礎上再加一維。打印機先像普通打印一樣在一個平面上將塑料、金屬等粉末狀材料打印出一層,然后在將這些可黏合的打印層一層一層的粘起來。通過每一層不同的“圖形”的累積,最后就形成了一個三維物體。

第三次工業革命:3D打印改變世界

3D打印示意圖

  3D打印的概念最早出現在上個世紀80年代。發明人是美國加州一家名為紫外線產品制造公司的工程師查克·赫爾,主要是開發用于家具保護涂層的紫外線固定樹脂膠技術。現年已經70多歲的赫爾回憶說:“那時我已經當了20年工程師,深知制造塑料模具有多麻煩。一旦設計有問題需要修改,一切都得重來。我很想擁有一臺機器自己制造模具。”幾經努力,在紫外線產品公司樓頂的一間密室里,赫爾研制出第一臺3D打印機。當時是1986年,到今天,3D打印技術走過了—條不算漫長卻令人振奮的發展之路:

  1993年,麻省理工學院獲3D印刷技術專利;

  1995年,美國ZCorp公司從麻省理工學院獲得唯一授權并開始開發3D打印機;

  2005年,市場上首個高清晰彩色3D打印機Spectrum Z510由ZCorp公司研制成功;

  2010年11月,世界上第一輛由3D打印機打印而成的汽車Urbee問世;

  2011年6月6日,發布了全球第一款3D打印的比基尼;

  2011年7月,英國研究人員開發出世界上第一臺3D巧克力打印機;

  2011年8月,南安普敦大學的工程師們開發出世界上第一架3D打印的飛機;

  2012年11月,蘇格蘭科學家利用人體細胞首次用3D打印機打印出人造肝臟組織。

  2012年5月30日,“國際3D打印技術與應用大會”在中國上海的環球金融中心召開,多位國際著名應用案例當事人應邀擔任演講嘉賓,比如,比利時鈦下頜骨手術主刀醫生,意大利建筑打印機發明人,英國3D打印陶瓷藝術家等。大會首次全面、系統、深入地向各界介紹3D打印技術,展示世界最新3D打印設備、軟件和材料,以及應用3D打印技術創造出的最新產品和成功案例,令人大開眼界。其中,意大利建筑打印機發明人恩里克·迪尼的演講給國內建筑業造成了不小的震動。這個被稱為“3D打印房子的人”以他極大的熱情和堅定的信念描繪了建筑業和3D打印技術融合的未來。 

02

3D打印建筑:從實驗走向現實

  2012年,在恩里克·迪尼描述3D打印建筑的未來時,它還只是實驗室里的一個實驗和構想。在此之前的2005年,迪尼曾成功打印一個小“石”柱,之后不久,他就用打印機打印出了世界上第一個疊層建筑結構——Andrea Morgante設計的“放射蟲”。迪尼因此受到了建筑界的注意。2013年1月,來自荷蘭的宇宙建筑公司的建筑師簡加普·魯基森納斯表示,他將與迪尼合作,用3D打印機打印他設計的作品“莫比烏斯環屋”,工程預計在2014年完工。

莫比烏斯環屋

莫比烏斯環屋 效果圖

  當然,世界上還有除了迪尼之外的3D打印建筑的夢想家,他們也都在努力。

  2012年,美國南加州大學工業與系統工程系的比洛克·霍什內維斯教授做了一個3D打印技術應用在建筑領域的電腦模擬展示,運用“輪廓工藝”系統在不到20小時的時間內能夠建造一幢面積2500平方英尺的建筑。比洛克.霍什內維斯教授說,做這項研究的最初目的只是想給窮人們又快又好地蓋房子。他的這項技術創新早在2006年就被美國發明家名人堂和現代奇跡欄目評為年度最佳發明。但遺憾的是,這項發明卻一直沒能走出實驗室。

“輪廓工藝”3D打印建筑

比洛克·霍什內維斯教授 的“輪廓工藝”

  2013年2月,英國倫敦Softkill Design建筑設計工作室首次建立了一個3D打印房屋概念,它并非采用固體墻壁建造,而是在骨骼基礎上建造纖維尼龍結構。它被命名為“打印房屋2.0”,采用相同的極簡抽象派工藝,使用足夠的塑料來保證結構的完整性。但至今,這個概念的3D打印房屋還只有模型而已。

3D打印房屋概念

3D打印房屋概念 

  今年3月末,在荷蘭海牙核安全峰會期間,美國總統奧巴馬興致濃厚地參觀了荷蘭DUS公司的3D打印展覽館。正是這家公司的建筑師宣稱將利用一臺名為KamerMaker的大型3D打印機“建造”全球首棟3D打印住宅建筑,代號“運河屋”(Canal House),這個項目目前已經在阿姆斯特丹北部運河的一塊空地上“奠基”,有望3年內構建完成。

荷蘭運河屋

荷蘭“運河屋”項目

  缺席前兩輪工業革命的我國這次沒有落于人后。在國外的3D打印建筑夢想家們還在構想、實驗、開始動工的時候,我國“3D打印狂人”馬義和直接帶著他的10幢3D打印建筑,作為當地動遷工程的辦公用房,在上海張江高新青浦園區內交付使用了。基于目前已披露的信息,這是全世界第一批通過3D打印技術制造的實體建筑。

全世界首批3D打印建筑

全世界首批3D打印建筑 

  而據9月15日的最新消息,美國明尼蘇達州一名工程師安德烈·盧金科及其團隊用3D打印機在自家的后院打印出一座中世紀城堡。據稱該城堡是世界上首個3D打印的混凝土城堡。雖然城堡大小只能容人站在里邊,但這無疑是3D打印技術的一個分水嶺。盧金科認為自己的作品仍有不足之處,但已經預見了利用3D打印技術房屋的前景。 

世界上首個3D打印的混凝土城堡

世界上首個3D打印的混凝土城堡 

03

革命之路:3D打印對建筑業意味著什么

  正如比洛克.霍什內維斯教授所說,他做3D打印建筑研究的最初目的只是想給窮人們又快又好地蓋房子。梳理3D打印建筑的發展史,這些3D打印建筑夢想家們幾乎一致的初衷都是為了解決民眾的住房問題。我們致敬這個純粹而崇高的理想,但3D打印建筑的發展對建筑業而言并不僅僅是解決住房問題那么簡單,可以說3D打印正在指引建筑業走上一條革命之路。

  關于3D打印建筑的意義,荷蘭正在建設中的“運河屋”放在官網上的一段話挺有意思:“就象400多年前,我們修筑的阿姆斯特丹運河一樣,3D打印運河屋也將會成為阿姆斯特丹的標志性創新符號,每一間3D打印的房間都是獨特的,具有交易、儲藏、居住、工藝展示等功能,充滿了可識別性與吸引力。3D打印房屋讓我們知道,在21世紀,傳統的建筑可以有什么樣的表現形式,傳統文化價值與創新理念可以如何融為一體。”

  這是從文化的角度對3D打印建筑的意義做了一個浪漫的闡釋。而馬義和在接受媒體采訪時,以他創立的盈創建筑科技有限公司(以下簡稱盈創科技)為例,列舉的3D打印對于建筑行業的三大改變顯然更具現實和產業的參考價值:打印異型建筑、減少建筑成本、環保節能。

  打印異型建筑。傳統的建造方法是用磚頭一層層堆積,磚頭可以變換大小,但是房屋整體的形狀變化還是非常有限。“3D打印首先是一個數字化制造,一個曲面的墻,雙曲的墻,都可以隨心所欲地去做。”馬義和說。像簡加普·魯基森納斯設計的“莫比烏斯環屋”,以莫比烏斯環為原型,沒有起點也沒有終點,就是一個傳統建造方法幾乎不可能實現的建筑。

  減少建筑成本和環保節能。傳統建造經常需要改變原材料的形狀,產生大量建筑垃圾。而3D打印建筑的“油墨”實質是建筑垃圾的再利用,包括工業垃圾、尾礦等,并可就地取材,回收建筑垃圾,通過技術處理、加工分離使之成為3D打印建筑“油墨”的一部分原材料,讓建筑垃圾回到建筑中。3D打印可以充分利用打印智能控制,使建筑一次成型,減少建筑中的材料損耗和工藝損耗,讓建筑能耗大幅度降低,有效地改善施工粉塵和噪音的影響,避免對環境造成污染。而機械是對人力的解放,可大大減輕建筑業日益高漲的勞動力成本壓力。

  3D打印對于建筑業的革命性意義基本上是能夠獲得公眾和商業人士認可的,萬科董事長王石就曾公開表示:萬科將在3年內運用3D打印技術建造房子。但不可否認的是,3D打印建筑仍然處于實驗階段,其目前所引起的爭議也是巨大的。正如盈創科技的10幢3D打印建筑亮相上海的時候,雖然國內3D打印界為之沸騰,但在不少業內人士看來,這并不意味著3D技術已為建筑行業帶來了巨大變革與重大突破。 

04

盈創科技:3D打印建筑的觀察樣本

  9月9日,亞廈股份發布公告稱,擬以自有資金1.54億元,通過受讓股權和增資方式,取得盈創科技(對,就是這個盈創科技建造了亮相上海的10幢3D打印建筑)26%的股權。這一公告再次將盈創科技和3D打印建筑推向了輿論關注的焦點。

  對于亞廈股份的這一舉措,資本市場予以了熱情的回應,在亞廈股份復牌后,股價就一字漲停。當天,中金公司最新報告評論就認為,亞廈股份快速切入建筑3D打印領域,顛覆了依賴手工作業、品質不均衡、工效不高、污染嚴重的傳統施工模式,“為最困難的施工環節提供了重要解決方案”。不過,它對于盈創科技的股權投資前景表示了質疑,除了盈創科技處于技術和商業模式的重要轉型期外,最為重要的問題是,建筑3D打印技術真的已經成熟了嗎?

  3D打印建筑面臨的最大挑戰就是:打印建成的房屋能否達到目前的建筑質量標準?地基是否夠扎實?有沒有達到防火、隔音、防火標準?所用的打印材料有沒有經過研究、調查、論證,以確保符合人類生活的標準?就盈創科技的10幢3D打印建筑來說,現場參觀的大多數人都對房屋的安全性能表示擔憂,認為這種房屋最多只能作為臨時建筑或是救災用房。

  上海易居房地產研究院副院長楊紅旭認為建百年穩固的建筑應該是建筑的目標,混凝土、鋼筋地基、框架、承重墻、鋼結構等傳統工藝已經形成了一個完整的安全分控體系,而3D打印這種有點像堆蛋糕一樣堆出來的房子,可能可以完成單個的單層房,但如果要建幾十層的高樓,房屋的結構、材料的堅固性、抗壓性、堅固性、抗震性等都是值得探討的。

  中國3D打印技術產業聯盟3D打印在線運營總監吳志坤也擔憂,目前3D打印建筑的技術處于試驗階段,所使用的材料能夠建造一兩層樓的小別墅,但打印幾十層的高樓就未必足夠安全,而且,目前國家尚未對3D打印建筑出臺相關標準,這使得3D打印房的安全性、抗震性等性能無法得到檢驗。

  另外,同濟大學建筑系教授來增祥表示,作為一項新技術,3D打印在建筑材料和建筑工藝上有了創新的探索,但是盈創科技3D打印的“油墨”構成主要是高標號水泥和玻璃纖維,而某些國家禁止建筑大量使用玻璃纖維,因為玻璃纖維會影響人體呼吸系統,“油墨”的承載力強度、耐久性等各項指標是否符合標準,還有待專家部門的權威檢測和認證。

  其實,就目前來看,盈創科技收入的60%是來源于建筑相關部品部件3D打印業務,它們已成功應用于400多項知名建筑項目,包括水立方、世博會大會堂、青奧會議中心等。因此,亞廈股份參股盈創科技旨在“跨入建筑行業、建筑裝飾品部件行業、全異性、多曲面型建筑行業(包括幕墻)和城市建筑拆借余料和石材尾料的循環再生行業”,而不是用3D技術來打印房子,這是理智的選擇,也是值得期待的。或許,3D打印建筑成熟之前的未來一段時間內,建筑裝飾領域才是3D打印在建筑業的革命之路上最合適和熱鬧的戰場。 

結語

近日,王石在接受采訪時表示萬科將與美國宇航局(NASA)合作3D打印房子,他坦言,這項新技術的實驗室研究成果可能在3年后才能進行實踐,而要推廣到一線,則可能需要10年以上的時間。承認建筑3D打印技術“還是存在一些技術障礙”的比洛克.霍什內維斯教授則表示截止到2050年,3D打印房子將不再是一個稀奇事。3D打印建筑,離我們還有多遠?時間終將給我們答案。 

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