新技術掀起行業革新浪潮

文｜本刊編輯部

2016年12月，美國3D打印公司ApisCor與俄羅斯房地產開發商PIK在俄羅斯斯圖皮諾成功打印了世界上第一個可居住的房屋。與傳統建筑技術相比，3D打印房屋的生產過程可節省70%的造價，而且可以在一天之內完成全部的承重墻、隔墻以及建筑圍護結構，效率驚人。

3D打印技術是一種快速成型技術，它是以三維數字模型文件為基礎，通過逐層打印或粉末熔鑄的方式來構造物體的技術，它綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多方面的前沿技術知識，具有很高的科技含量。實際上，3D打印技術概念由來已久，只是受限于科技發展水平一直未能研發成功。20世紀80年代，在CAD技術、數控機床、激光技術、材料科學充分發展的基礎上，美國人Chuck Hull發明立體光刻工藝并獲得專利，這被認作3D打印技術的開端。近年來，3D打印技術獲得了飛速的發展，英國《經濟學人》雜志在《第三次工業革命》一書中，將3D打印技術作為第三次工業革命的重要標志之一，更加引發了人們對3D打印技術的關注。

如今，3D打印技術已應用到很多領域，工業設計、航空航天、軍工、牙科和醫療產業、教育、地理信息系統、土木工程、汽車等領域都有3D打印的身影。就在不久前，波音公司宣布公司聘請3D金屬打印公司Norsk Titanium AS，負責為波音787 Dreamliner打印第一個鈦合金部件，這一舉措將使每架波音787的制造成本節省200-300萬美元。

根據前瞻產業研究院發布的《中國3D打印產業市場需求和分析報告》數據顯示，2014年我國3D打印市場規模約47.4億元，而2015年市場規模為78億元。預計2017年我國3D打印產業規模將達到173億元，到2021年產業規模將達到691億元。

新技術顛覆建筑行業

隨著3D打印技術的不斷完善，越來越多的物品都可以由3D打印完成，與此同時，這項技術也在徹底顛覆傳統的建筑行業。3D打印技術在建筑工程領域的應用研究，美國、英國等國家研究人員已開展多年，并研發出了多種技術形式。

2014年4月，10幢3D打印建筑在上海張江高新青浦區正式交付使用，這10幢小屋的建筑過程用時僅為24小時，隨著這一新聞的廣泛傳播，國內對于3D打印技術在建筑領域的應用逐漸被人熟知。2015年1月18日，盈創建筑科技（上海）有限公司召開全球發布會，宣布成功應用3D打印技術打印出一棟多層實驗樓和一棟1100平方米的別墅，其中多層實驗樓高15.3米，是全球最高的3D打印建筑。

3D打印技術在建筑工程領域的應用不僅僅局限于整體的3D打印建筑，在復雜構件制作、微縮模型（方案展示模型、風動模擬模型、沙盤等）制作等方面均有應用。BIM技術與3D打印的集成應用，主要是工程項目在設計階段利用3D打印機將建筑信息模型微縮打印出來，供方案展示、審查和進行模擬分析；在建造階段采用3D打印機直接將建筑信息模型打印成實體構件和整體建筑，部分替代傳統施工工藝來建造建筑。如果沒有建筑信息模型，3D打印首先需要用三維建模軟件按照設計圖紙建立打印任務三維模型；而BIM技術的出現，使建筑從規劃設計到施工運維全程在三維的狀態下進行，期間可以將任意階段的三維模型導出后發送給3D打印機，打印出建筑部件或建筑整體模型。在BIM技術與3D打印的集成應用過程中，3D打印工作省掉了額外建模環節，而BIM工作任務僅有小量增加，綜合來看，顯著提升了生產效率。從設計BIM模型直接導出打印模型，也避免了照圖建模過程中產生的各類問題，保證了打印模型的準確性。

現階段，以3D打印方式建造建筑主要有全尺寸打印、分段打印組裝和群組機器人集體打印裝配三種主要模式。全尺寸打印即采用一臺大型的3D打印機，在工廠或建筑擬建地直接打印出建筑物主要部件。這種打印方式受打印設備的限制比較明顯，擬打印建筑越大，所需要的3D打印機就越大；而隨著3D打印機尺寸的增大，打印精度和打印速度就會變差。所以現階段的全尺寸打印主要是解決3D打印房屋的一些基本問題，如材料、控制、精度等。分段打印組裝即建筑的模塊化，在工廠里把每塊打印好，最后在現場進行組裝。這種方法的優點是解決了建筑尺寸的限制，缺點是現場的組裝工作是勞動密集型工作，增加了成本。群組機器人集體打印則是一群3D打印機像蜜蜂一樣共同執行任務，打印機的尺寸跟建筑尺寸無關，同時打印機的智能要求也可以大大降低，這種自組織、自協調的群體智能方式也是現在人工智能的研究方向。

上述三種3D打印方式適用于不同的建筑類型，上海市的10棟臨時房屋采用的是全尺寸打印方式，蘇州工業園區的5層實驗樓則采用的是分段打印組裝方式，目前國內還沒有群組機器人集體打印建筑的應用案例。分段打印組裝方式對于3D打印機、打印材料和打印程序的要求相對較低，易于實現，所以這種方式應用最為廣泛。

全面展示 準確傳遞

BIM技術的出現，被認為是建筑業的又一次革命，BIM貫穿建筑從設計、施工、運維的全過程，打通了各階段的信息傳遞，尤其在施工階段可以幫助施工人員提高深化設計、施工策劃和施工管理等方面的工作效率。3D打印技術同樣帶來了制造業的變革，被視為第三次工業革命的標志。以前產品設計要以生產工藝能力為前提，而3D打印技術的出現，將會顛覆這一生產思路，企業在生產部件時不再考慮生產工藝問題，任何復雜形狀的設計均可以通過3D打印技術來實現。

10幢3D打印建筑在上海張江高新青浦區正式交付使用

BIM技術與3D打印技術兩種革命性技術的結合，為方案到實物的過程開辟了一條“高速公路”，同時也為復雜構件的加工制作提供了更高效的方案。通過建筑信息模型和3D打印技術的集成應用，實現3D實體模型代替3D數字化模型展示建筑構件細節，更具有真實感并能達到準確傳遞信息的目的。能夠充分利用3D實體模型的形象、立體和真實感對設計方案進行充分的表達和傳遞，為業主或各參與方帶來計算機顯示圖像所不能實現的觸感，并使參建各方對設計意圖產生更深刻的理解。

2016年8月23日，住房和城鄉建設部發布《2016—2020年建筑業信息化發展綱要》，提出積極開展建筑業3D打印設備及材料的研究，探索3D打印技術運用于建筑部品、構件生產，開展示范應用，這意味著國家對于3D打印技術的認可和鼓勵。

基于建筑信息模型的整體建筑3D打印，應用BIM進行建筑設計，設計模型處理后直接交付專用的3D打印機進行整體打印，建筑物可以很快的被打印出來，建造一棟簡單建筑的時間大大縮短。通過3D打印技術建造房屋，只需要投入很少的人力；隨著我國人力成本的逐漸升高，3D打印可有效降低人力消耗方面的成本。3D打印的作業過程中，基本不會產生揚塵和建筑垃圾，是一種綠色和環保工藝，在節能降耗和環境保護方面較傳統工藝有非常明顯的優勢。

在復雜構件制作上，傳統的工藝制作受人為因素影響較大，精度和美觀度方面有所偏差不可避免。3D打印機由電腦操控，只要有數據支撐，便可將任何復雜的異型構件快速、精確地制造出來。利用BIM技術和3D打印相結合來進行復雜構件制作，不再需要復雜的工藝、措施和模具，只需將構件的建筑信息模型發送到3D打印機，短時間內就可將復雜構件打印出來，少量的復雜構件用3D打印的方式，大大縮短了加工周期，降低了成本，同時能夠保證精準度，從而保障了復雜異型構件幾何尺寸的準確性和實體質量。

利用建筑信息模型，將BIM模型與施工方案或施工部署進行集成，然后利用三維模型進行展示交流、交底，是目前建造過程中非常實用的一種應用手段。結合3D打印技術打印實物模型可以將應用效果發揮的更佳，用3D打印制作的施工方案微縮模型，可以輔助施工人員更為直觀的理解方案內容；而且它攜帶、展示都不需要依賴計算機或其它硬件設備，同時實體模型可以360度全視角觀察，克服了打印3D圖片和三維視頻角度單一的缺點。

作為兩種變革性的新技術，可以預見，在今后很長一段時間內BIM技術和3D打印技術仍然會被人們廣泛關注，眼下，已經有多個國家紛紛加快研究、應用3D打印技術的步伐。隨著技術的發展，現階段BIM技術與3D打印技術集成所存在的許多技術問題將會得到解決，3D打印機和打印材料的價格也會趨于合理；應用成本的下降也會擴大3D打印技術的應用范圍和數量，進而促進3D打印技術的進步。隨著3D打印技術的成熟和進步，建筑行業的自動化水平將得到大幅提高，3D打印技術也將引起建筑產業變革，引領整個建筑業產生巨變。