Robot-Printed 'Cloud Village' / Philip Feng Yuan's Team. Image Courtesy of Philip Feng Yuan
3D打印是快速成型技术的一种，它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粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
在建筑行业，3D打印的过程一般由设计师和结构师来操作。工作人员根据CAD等建模软件所得出三维模型数据，通过一个运行程序将材料分层打印输出并逐层叠加，最终将计算机上的三维模型变为建筑实物。
3D Printed Concrete House Professor XU Weiguo‘s Team. Image Courtesy of XWG Archi Studio at Tsinghua University
一个房子或者一群房子。即使每幢建筑形态各异，都可以通过一个运行程序来自动构建。最终将计算机上的三维模型变为建筑实物。
3D Printed Concrete House Professor XU Weiguo‘s Team. Image Courtesy of XWG Archi Studio at Tsinghua University 3D Printed Concrete House Professor XU Weiguo‘s Team. Image © Liming Zhang
近年来，随着中国政府大力支持推动该行业的发展，中国已成为亚洲 3D 打印增长背后的主力军。本文将就 3D 打印如何为中国的建筑行业提供新的可能性进行几点讨论和案例分析。
3D打印的优点和缺点
3D打印建筑最明显的优点之一是速度快。建造一座500平方英尺（约46.45平方米）的单层住宅只需要24小时的打印时间。
3D Printed Concrete House Professor XU Weiguo‘s Team. Image Courtesy of XWG Archi Studio at Tsinghua University
然而不仅仅是节约时间：3D打印建筑也减少了浪费。
3D Printed Concrete House Professor XU Weiguo‘s Team. Image Courtesy of XWG Archi Studio at Tsinghua University
一般来说，一个典型的住宅建筑工地会产生4吨左右的垃圾。 由于传统地坪施工中使用的混凝土是均匀涂抹的，因此无论在特定区域是否需要结构支撑，都会浪费大约一半的混凝土。 这对环境尤其有害，因为水泥作为混凝土的主要成分，约占我们二氧化碳排放量的 7%。 相比之下，3D 打印机可以非常精确地改变结构的厚度，只在真正需要的地方使用混凝土。 这个过程称为拓扑优化。
3D Printed Concrete House Professor XU Weiguo‘s Team. Image Courtesy of XWG Archi Studio at Tsinghua University
打印结构的数字化是 3D 打印的另一个优势。 这意味着计算机上呈现的设计可以直接转换为打印机指令。 这消除了将设计转换成图纸的需要，从而减少了不必要的错误和麻烦，节省了成本并减少了延误。 数字化还有一个额外的好处，那就是它消除了设计创意的障碍。 建筑师可以以较低的成本提供定制或半定制的设计，而无需费心培训他人来执行计划。
A Robot-3D Printed Concrete Book Cabin / Professor XU Weiguo's Team. Image Courtesy of Professor XU Weiguo's Team
尽管如此，与普通的3D打印技术相比，混凝土的3D打印技术难度更大。 首先，要保证混凝土在打印过程中能够顺畅流动，这样才能顺利进出打印机，不会堵塞。 其次，从打印机挤出的混凝土必须能够快速硬化并变得足够坚固以承受后续层。 在满足上述要求的基础上，还需要使这些层之间达到足够的附着力。
A Robot-3D Printed Concrete Book Cabin / Professor XU Weiguo's Team. Image Courtesy of Professor XU Weiguo's Team
此外，3D混凝土打印还需要克服露天环境（工作）中的一系列挑战，因为环境灰尘、湿度、水分、温度等都是影响混凝土性能的变量，所以这些影响因素必须被精准控制。
当前应用
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近日，一个由机器人3D打印而成的书屋在上海宝山智慧湾科技园正式启用。该书屋由清华大学建筑学院徐卫国教授团队设计并用该团队研发的打印机器及打印材料建造；它是上海“艺术之桥”空间的一部分，可用于图书展示、学术讨论、新书分享会等活动；同时，它也是“艺术之桥”2021年度人物徐卫国-“年度制造”的艺术作品
A Robot-3D Printed Concrete Book Cabin / Professor XU Weiguo's Team. Image Courtesy of Professor XU Weiguo's Team A Robot-3D Printed Concrete Book Cabin / Professor XU Weiguo's Team. Image Courtesy of Professor XU Weiguo's Team A Robot-3D Printed Concrete Book Cabin / Professor XU Weiguo's Team. Image Courtesy of Professor XU Weiguo's Team
该书屋的设计起于概念草图，之后用MAYA软件根据使用需求实体建模，并进行空间形体及结构合理性推敲确定实施模型，其后通过打印路径规划及打印程序编写完成数字文件，再以此数字文件驱动机器人3D打印设备进行混凝土材料的逐层堆叠打印，从而建成这一曲面形体的图书小屋。该图书小屋总面积约30平方米，可容纳15人进行各种活动
3D Printed Concrete House Professor XU Weiguo‘s Team. Image Courtesy of XWG Archi Studio at Tsinghua University
徐卫国教授团队完成的另一个项目是3D打印混凝土住宅-非洲低收入住宅，这是团队自主研发“机器人3D打印混凝土移动平台”及“混凝土房屋快速建造体系”。
3D Printed Concrete House Professor XU Weiguo‘s Team. Image © Liming Zhang
该“混凝土房屋快速建造体系”专为非洲地区的低收入家庭而设计。其面积为40平方米，包括门廊、客餐厅、卧室、厨房、洗手间等房间，可满足1-4人的居住需求。其中门廊、厨房和洗手间安排在平面一侧，形成一个长方形的单元；客餐厅及卧室在平面另一侧，中间以轻质隔墙或收纳家具隔开，布局可根据实际居住需求灵活调整。
Robot-Printed 'Cloud Village' / Philip Feng Yuan's Team. Image Courtesy of Philip Feng Yuan Robot-Printed 'Cloud Village' / Philip Feng Yuan's Team. Image Courtesy of Philip Feng Yuan Robot-Printed 'Cloud Village' / Philip Feng Yuan's Team. Image Courtesy of Philip Feng Yuan
由袁烽和他的团队开发，在威尼斯双年节设立了一个数字化制作的户外展馆“云市”。 云市有一个扭曲的形式，在它的屋顶下创造了一系列开放和半封闭的空间。
Robot-Printed 'Cloud Village' / Philip Feng Yuan's Team. Image Courtesy of Philip Feng Yuan Robot-Printed 'Cloud Village' / Philip Feng Yuan's Team. Image Courtesy of Philip Feng Yuan
从造型到材质，“云市”以其物质性的符号化表现反映了中国乡村的当代现实：抽象的共享的村口空间是中国乡土文化的重要体现，而打印展亭的再生塑料材料则表明了当代中国农村环境问题的危机，对未来空间生产的可持续发展方式进行了批判性反思。
Robot-Printed 'Cloud Village' / Philip Feng Yuan's Team. Image Courtesy of Philip Feng Yuan
3D Printed Pavilion Archi-Union Architects + Fab-Union. Image Courtesy of Schran Image 3D Printed Pavilion Archi-Union Architects + Fab-Union. Image Courtesy of Schran Image 3D Printed Pavilion Archi-Union Architects + Fab-Union. Image Courtesy of Schran Image
全球最大的改性塑料3D打印建造体——南京欢乐谷主题乐园东大门，在2020年11月11日随着园区的正式开放。创盟国际设计团队与建筑机器人协作，全面颠覆了传统意义上的设计到建造的流程，高效、精准地完成了超尺度、高维几何建造体的改性塑料3D打印实施工作。独特的定制化建造体不仅在形象上成为了南京欢乐谷的代表性标志，也完美组织整合了从前广场到主题乐园的空间过渡。
3D Printed Pavilion Archi-Union Architects + Fab-Union. Image Courtesy of Archi-Union Architects 3D Printed Pavilion Archi-Union Architects + Fab-Union. Image Courtesy of Archi-Union Architects 3D Printed Pavilion Archi-Union Architects + Fab-Union. Image Courtesy of Archi-Union Architects
3D打印的未来前景
关于3D打印的未来，《科学美国人》报道称：
“3D打印建筑的技术仍处于早期阶段，要扩大3D打印建筑的规模，需要在技术和监管方面做更多的工作。对于前者，从业者还没有找到一种从印刷机上加固混凝土的有效方法。在传统建筑中，这是通过铺设钢筋来完成的。”
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