用3D打印技術建造房屋

李有觀

在國際上，3D打印技術已經(jīng)成為一種潮流，在設計領域尤其是工業(yè)設計上被廣泛應用。從運動鞋、iPhone 模型，到能幫助殘疾人的機械手臂以及會飛的飛機等，3D 打印都在大顯身手。

現(xiàn)在，3D打印技術甚至可以用于建造房屋。美國南加利福尼亞大學的工業(yè)與系統(tǒng)工程教授貝洛克·霍什內(nèi)維斯，一直在研究快速成型工藝在建筑上的應用，也就是，如何像造模型那樣建造房屋。英國拉夫堡大學的索爾教授也在進行類似的研究。而意大利米蘭設計周的Hacked lab實驗室，則展示了一幢打印組裝的房屋。

“打印”房屋

從原理上來看，“打印”房屋和打印其他的東西并無二致，只不過材料不同，尺度變大了。按照貝洛克·霍什內(nèi)維斯的說法：現(xiàn)在衣服、鞋子和汽車都已經(jīng)可以自動生產(chǎn)了，房屋如果仍舊需要人們按照之前的方法去建造，未免太落后了。

用傳統(tǒng)的方法完整地建造一棟房屋，需要眾多步驟，而使用 3D 打印技術就容易得多。

霍什內(nèi)維斯教授將他的研究項目稱為“輪廓建筑工藝”。據(jù)他介紹，房屋是這樣被“打印”出來的：首先在要建造房子的空地上，安裝巨大的“打印”設備，而這一過程只需要兩三位工人花費幾個小時。這個設備的外觀，有點像建筑行業(yè)中使用的兩邊有滑軌的巨大行車，只不過行車橫梁上通常用來裝吊貨物的部分，裝有巨大的給料器。將事先設計好的立體模型載入3D打印系統(tǒng)，裝載在行車上的“打印”設備通過一個可移動的噴嘴噴射出特殊的水泥，在建筑場地上勾畫出一個整體輪廓，接著一層一層地疊加建筑墻體，打印機會根據(jù)規(guī)劃圖自動留出門窗的位置。然后，蓋上第一層天花板，在頂上澆灌出第二層的地面，直到完成屋頂和外部結構的細節(jié)。和傳統(tǒng)的建造過程類似，墻體建設完成后添加電氣、管道和通信等基礎設施。搭建完成后，剩下的只是安裝門窗和內(nèi)部裝修了。

不需要磚瓦、木材、腳手架和施工隊，20小時內(nèi)，利用 3D 打印機就能建造出幾幢簡單的毛坯房。據(jù)專家預測，最多需要一天時間，它就可以建成一座 185 平方米的房屋，速度是人工建房的幾百倍。而且用這種方式建造房屋，不會發(fā)生任何安全事故。

霍什內(nèi)維斯教授研發(fā)這項技術的最初動力，來自1994年發(fā)生的一次地震。他在修復自家受損房屋的過程中，感受到種種人力所不及：速度慢、不安全、成本高。他想，這樣危險、辛苦的工作，為什么不能完全由機器來完成呢？

通過多年的潛心研究，霍什內(nèi)維斯教授研發(fā)出了“輪廓建筑工藝”技術，2004年，該項技術就已經(jīng)能夠“打印”出5英尺（約合1.52米）長、3英尺（約合0.91米）高、6英寸（0.15米）厚的建筑部件。隨著近年來的技術改進，該技術不僅能夠“打印”方形、圓形、環(huán)形甚至不規(guī)則形狀的房屋部件，也有能力“打印”一整棟房屋，還能夠建起一整片房屋群落，而且能夠使得同一個群落內(nèi)的房屋呈現(xiàn)不同的樣貌。

“輪廓建筑工藝”技術能夠建造不同功能的房子

霍什內(nèi)維斯教授的研究項目，大致分為以下兩類：

第一類是緊急用房，即給遭受自然災害的災民或者被迫逃離家園的難民居住的房屋?！拜喞ㄖに嚒奔夹g建造出來的是真正的房屋，還能安裝各種設施，強度和功能性都要優(yōu)于現(xiàn)有的救災帳篷或者活動板房，而且速度更快。

第二類是低成本住房，用于給貧困群體居住，以改善他們的居住條件。這類房屋的強度要比第一類更高，工序更多，所需要的建造時間也更長一些。

在一次演講中，霍什內(nèi)維斯教授認為，這項技術將比所有傳統(tǒng)的建造方式都更高效、便宜而且節(jié)能。它幾乎能打印出人們設計的任何方案，不論是堅硬的直角，柔軟的曲線，古怪的造型，都不是施工難題?；羰矁?nèi)維斯稱，3D打印機的可貴之處在于它可以聽從電腦程序，打印完一層自動爬上另一層，非常有次序，甚至比人工的更加準確，一磚一瓦都不會遺漏，這樣就保證了它的穩(wěn)定性；而且會依據(jù)精確的幾何計算，采用堅固的材料，來保證幾年到更多的時間內(nèi)，房屋不會有質(zhì)量問題。

霍什內(nèi)維斯教授表示，該項技術將比現(xiàn)在的建筑技術更加安全。在美國每年有數(shù)千名建筑工人死亡，數(shù)萬名建筑工人受傷，使用3D打印機建造房屋將會終結這個歷史并大幅度減少建成一棟房屋的時間。

據(jù)霍什內(nèi)維斯教授介紹，除了更加安全和節(jié)約時間外，“輪廓建筑工藝”還有一個主要的優(yōu)點，就是可以大幅度降低建筑成本。

霍什內(nèi)維斯教授打了這樣一個比方：就像用機器來制鞋和純手工制鞋子一樣，當然是機器制造的鞋子比手工制的鞋子便宜。在美國目前的建筑成本中，45%～55%是人力成本，25%～30%是材料成本，而如果使用“輪廓建筑工藝”來建造房子，那么人力成本幾乎為零。成本的降低并不等于質(zhì)量的下降，根據(jù)測算，“輪廓建筑工藝”建造出來的建筑的最高強度能達到10000PSI（約合69.0MPa），而人工建成的建筑強度一般只有3000PSI（約合20.7MPa）。

霍什內(nèi)維斯教授說，這種技術十分適合于災后應急建筑和臨時性住房，也很有希望走向太空，它能建造安全、可靠、成本低廉的月亮和火星建筑，為人類移民太空鋪平道路。

霍什內(nèi)維斯教授領導的“輪廓建筑工藝”項目組一位成員表示：據(jù)先前一項估算，如果該項技術能夠普及，機器的造價大約在10萬到15萬美元左右，一般的小型建筑公司完全能夠負擔得起。

英國拉夫堡大學的索爾教授也在進行類似的研究，不過他的打印機器更加細致，除了能夠打印出毛坯房的基本結構，還能打印出整體浴室的結構、壁爐和簡單的裝潢設施，甚至能直接繪制出精美的壁畫。他的靈感來源于撒哈拉南部地區(qū)的一種白蟻，它們能將巢穴筑成2至3米高的“大型建筑”，在建造巢穴時，用自己的排泄物和唾液構建框架，并填充進去。

下載房屋

和3D打印技術連接在一起的是社會化生產(chǎn)模式。原先，制造業(yè)在大工廠里進行，需要將大量人力、資金、設備集中到一起，通過物流和分銷，輾轉(zhuǎn)到達消費者手中?，F(xiàn)在，隨著3D打印技術的不斷普及，制造業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)楦屿`活、投入更少的生產(chǎn)方式，甚至變得有條件按需生產(chǎn)。一切都可以用數(shù)據(jù)傳輸，虛擬的數(shù)字傳送和實體經(jīng)濟結合在一起。

意大利米蘭設計周的Hacked lab 實驗室里，展示了一幢可以下載的房屋。這是一個名為 wikihouse 項目的產(chǎn)品。這座房屋采用 3D 技術打印，不需要正規(guī)的建筑技能，只需要經(jīng)過簡單的培訓，就可以組裝構件。

Wikihouse項目是由英國建筑師阿拉斯泰爾·帕爾文設計的。電腦系統(tǒng)里面有多種固定結構和尺寸的房屋構件，設計師可以利用這些構件進行設計。如果想建造一幢房屋，可以從電腦里下載需要的構件，打印出來組裝就行了。帕爾文希望能在災后重建領域推廣這樣的建筑理念，以便快速、高效、低成本地建造房屋。

需要指出的是，到目前為止，所有和建造房屋相關的3D打印技術，都處于試驗階段。不過可以肯定的是，隨著科學技術的快速發(fā)展，人們不久就可以住上采用3D打印技術建造的房屋了。

（作者為自由撰稿人）