3D 列印在建築領域有怎樣的運用?

The Future of Construction: I found the first 3D printed buildings in Soho. Ok, not really. But they do look a little too perfect. Imagine a future where buildings are prefab, 3D printed... via William Peng


樓主,瀉藥。可是你提供的照片不是3D列印的建築啊,似乎只是一個剛剛修復完畢的老房子
昨天佔了個座,今天認真回答一下。

樓下提到了很多建築模型方面的應用,這個我就不多說了,一般都用作表現模型,高端大氣國際化。主要說說在建築設計和施工領域的一些例子。

3維列印用來蓋房子,個人以為最基本困難只有一個:尺寸。

2維列印大家都常用,一個最根本的常識就是,輸出尺寸越大,印表機本身就越大。很明顯,印表機的噴頭活動範圍要能夠覆蓋全幅的輸出尺寸,那麼必然會大一圈。

在3維列印領域,這意味著:印表機需要比你的豪宅大一圈。

針對印表機尺寸這個問題,我看到的主要有三個解決方向:

1. 全尺寸列印。
來狠的,就是往大了造,所謂人有多大膽,地有多大產。
例如這家:D-shape。welcome to D-Shape

他們的機器一個比一個大,所以也比較糙。

他們的機器一個比一個大,所以也比較糙。
09年在倫敦聽過他們的講座,談到他們當年已經成功的把列印dpi(每英寸像素數)從6提高到8,下一年的目標是12。笑噴了。
這個方向的限制很明顯:機器越大越難製造,更重要的是機器越大,列印精度和列印速度就會越差。所以現階段的單一列印主要是解決3d列印房屋的一些基本問題:材料,控制,精度等。

2. 分段組裝式列印。
建築模塊化,在工廠里每塊列印好,最後一起現場組裝。好處是解決了房子尺寸的限制,缺點是現場的組裝工作又涉及到勞動密集型,提高了成本。
例如這家:Softkill Design. http://www.softkilldesign.com/

他們的一個原型房屋,正在準備做全尺寸的,由廠家贊助。別看結構花里胡哨跟盤絲洞似的,其實是分段列印現場裝配的。所以材料的選擇和結構的輕量化(可以減低現場人工)成為要點。

他們的一個原型房屋,正在準備做全尺寸的,由廠家贊助。別看結構花里胡哨跟盤絲洞似的,其實是分段列印現場裝配的。所以材料的選擇和結構的輕量化(可以減低現場人工)成為要點。

3. 群組機器人集合列印裝配。
我個人比較看好的方式。就是一堆小機器人跟蜜蜂似的共同執行任務(比如列印一整個房屋)。這樣機器人的尺寸跟房屋尺寸無關,可以非常小(甚至可以飛起來,在三維中協調工作,比如瑞士的ETH在做這方面的研究);同時機器人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慧的研究方向。

這個照片可以看到一個小機器人在建築的牆上跑,邊跑邊列印。會有很多這樣的小機器人一起跑來跑去,把建築列印完成。

這個照片可以看到一個小機器人在建築的牆上跑,邊跑邊列印。會有很多這樣的小機器人一起跑來跑去,把建築列印完成。

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實際的建築方式會是以上各種技術和新技術的綜合體。比如最近炒得很熱的關於Norman Foster事務所(北京T3航站樓設計者)跟歐洲航天部門合作,設計的在月球上的宇航員基地的案例,採用3D列印技術。


基本原理是用一個充氣結構當基礎,然後在充氣結構表面噴塗某種月球輕質材料,噴完了以後就把充氣結構放氣拿出來,之前噴塗的材料形成一個拱狀殼體提供基本維護。模擬圖中可以看到好幾個小機器人在屋頂跑來跑去,採用的也是群組機器人列印的技術。

可以參考這篇文章:
Architects are starting to 3D print houses


上面答案好像還沒有講過南加州大學Behrokh Khoshnevis教授的Contour Crafting,我想補充一下。
實驗室主頁:Contour Crafting
TED Talk:Contour Crafting Automated Construction視頻封面Contour Crafting Automated Construction視頻

Contour Crafting房屋製造工作原理構想圖

Contour Crafting房屋製造工作原理構想圖


Contour Crafting工作原理展示


我想Contour Crafting應該是最成熟的3D列印建築技術吧。從實驗室主頁上的視頻看來,建造的細節都已經考慮得很周全,連電線水管氣管的安裝都有,應該是相當成熟的技術了。這個技術被NASA採用,進一步開發月表基礎設施自動化建造技術(NASA - Contour Crafting Simulation Plan for Lunar Settlement Infrastructure Build-Up)


做大自然的搬運工,看國內外如何玩轉3D列印建築,關於3D列印大到可以列印服裝、家居 ,小到可以列印小玩具,生活用品等等,總之3D列印的應用範圍幾乎沒有限制。就在3D列印技術應用悄悄走進我們的生活,走進家家戶戶的時候,我們想它在建築領域的低位又是怎樣的呢?

Khoshnevis教授與他在南加州大學的學生設計了一種名為「contour crafting」的自動化房屋建造技術,在他們的實驗室中,已成功通過全自動的方式「生產」出一棟1.8米高的樓房。將一間經過電腦設計好的房子直接列印出來,除了混凝土外牆,連房屋中的電線、水管等一切都已經就緒。這項工程已花費了十年的時間,研究如何將3D列印應用在房屋建造上。和一般3D列印所用的熱熔膠不同,這個製造房屋整個過程中通過機械臂擠出混凝土讓房子成型,過程中另一隻機械臂會加入石膏、木材、聚合材料、磚塊來優化和鞏固整個產品。

最重要的是,這不是一個概念性構思。利用contour crafting技術製造的房子有什麼優勢?簡單來說,目前他們能在20個小時內,製造出一所近300平方米的房屋。

Khoshnevis教授表示,由於成本大大降低,目前這種自動化房屋生產技術對於低收入家庭非常有利。

甚至將來,建造業會催生出一種房屋製造機出租業務,建造一間房屋僅需要有限的人手,付出一到兩天的器材租金即可完成。得益於3D列印技術的精準性,同樣大小的房子,所需物料也大大降低。

而且因為是3D列印,房屋的定製化也成為可能。只需要找專人設計好房屋造型,而電腦將會自動完成其他工作。

目前對於3D列印應用在房屋建築上最大的問題,是行業性的邏輯設計問題。因為房屋的造型各異,在一次成型的工藝基礎上,如何設計好一個合理有效的建築邏輯是一門學問。Khoshnevis預計如果解決好這個問題,將會減少30-40%的建築成本。

雖然在地球上我們暫時未看到採用這種全自動建房技術的房屋,但目前Khoshnevis已獲NASA委託,負責將這種技術應用在將來月球表面的建築建造上。另外還有幾家國際性建築公司也邀請他參加幾項特殊的建築項目,只不過目前他仍需要為此保密。建築界在未來也會面對一次大型的思維轉型。

再看看國內3D列印在建築的應用,最出名的莫過於蘇州3D列印建築群了蘇州數幢3D列印建築集中亮相,看著真心不錯啊


首先,為什麼要使用3d印表機:
1. 在中國很多項目有時是項目主動找上門來,但大多數時候都要主動去開發。3D列印模型在這一點上非常有用,要想用2D圖呈現3D理念確實需要經過訓練和經驗,3D圖像及其表現方式有助於將想法視覺化,當然也有其局限性。3D圖像的一個很大的弊端在於其生成的圖像看起來像是」現實版的照片」。所以「概念設計」突然之間變成的定死的方案,而沒有調整或改變的餘地。3D列印模型的優勢在於可以有效傳達想法,同時保持跟進鼓勵討論和新的改變,這對項目前期的溝通大有裨益;
2. 速度:通常來說,用3D印表機列印建築模型快速、成本低、環保,同時製作精美,只要輸入的方面參數沒有問題則列印出來的效果可以完全合乎設計者的要求,同時又能節省大量材料,完全可以在夜間讓其自行列印;

但是缺點也不少:首先建築模型其實最好還是用多樣化的模型來體現建築的質感,用3d列印的話太solid。其餘的下次補充吧,因為我們公司的模型基本上都是在new haven的模型室自己做,列印的不是很多,所以沒有太多發言權。


個人認為3d列印在建築中是使用不應僅局限於現場列印
本身列印過程緩慢,大型印表機的工作環境限制多,現階段多種材質現場列印的能力幾乎沒有。
所以從普及的角度來講,3d列印其實就是參數化自動施工的小型化版本。所以LZ不如直接關注一下GRC和GRG的應用,這兩者已經在室內外裝飾和小型特殊構造上廣泛應用了,現在的價格已經相當便宜。雖然是預製裝配,但是也比那些在現場人工做造型的強多了。


瀉藥。老闆在一樓,此地不宜久留……
建築工業領域據我所知目前無法應用,且以鄙人之見純粹從現有的3D列印技術出發奔向建築工業是不現實的,無論2D還是3D列印對於人類的意義就是去除了人工成本的同時又提高了精準性,所以3D列印的思維之於建築工業真正有意義的應該是將現有成熟的工業技術智能化——說白了,你不就是想一按Ctrl+P,那兒就吭哧吭哧的給你幹麼。


謝邀,第一次回答問題。目前看來,3D列印技術更多應用在模型製作上,特別是一些複雜形體的實現,對於當代建築的思考有著非常大的推動作用。但是就算在模型製作上,3D列印技術有著很強的欺騙性。在模型尺度上,3D列印模型利用自己本身的模型材料強度和膠水強度,可以抵抗重力,掩蓋很多在傳統模型製作過程中必須考慮到的結構和交接問題。


3D列印技術自發明以來,各行各業都得到了長足的應用,關於3D列印在建築業的應用,樓上回答的觀點也比較一致,就目前來看,就是列印建築模型。
我是一個3D列印愛好者,對於3D列印以及建築行業,認識都不算深刻,只有些許想法,說出來大家不要笑話,看看就好。
我覺得3D列印在建築方面的應用可以分為兩個主要的方面:列印建築模型、列印建築實體
一、列印建築模型
1、3D列印建築模型的優勢
可以從時間成本、複雜結構、交叉學科優化建築設計一體化,三個方面來說
時間成本:據了解,傳統的建築模型設計是圖紙製作,再後來是用建模軟體繪製模型,但模型製作都是手工製作,耗費的時間較長,而3D列印技術則可以直接將建好的模型列印出來,一般一兩天就可以成型,極大的縮短模型製作周期,可以加快整個項目的進度。

(3D列印建築模型,圖片來自網路,侵權速刪照片)

(3D列印建築模型,圖片來自網路,侵權速刪照片)
2、複雜結構
這個應該是3D列印建築模型最大的優勢了,尤其是在曲面結構、內部結構的製造中可以彌補傳統製作的缺陷,一些特性的建築以及研發新式建築,往往只可以3D列印出來,算是對建築模型製作的一種補充。

(3D列印歐式建築模型 圖片來自網路侵權速刪)

(3D列印歐式建築模型 圖片來自網路侵權速刪)
3、交叉學科優化建築設計一體化
3D列印跟建築聯繫起來,本身就是兩大學科的結合,隨著3D列印技術的不斷優化,想必會出現更多、更複雜的綜合學科協作,多形態發展。
這點可以從簡化3D列印列印流程說起
熟悉3D列印技術的人都知道,3D列印主要步驟為:掃描——建模——切片——列印——後處理。
列印建築模型也遵循這樣的流程,那麼怎麼可以更加優化這個流程,找到一種更簡單、更有效的一體化生產方式?

這個問題貌似隨著互聯網、雲平台、雲計算、移動互聯網、物聯網、智能製造的快速發展,有了答案。
首先國外已經實現了手機移動端實時操控3D列印全過程了,即模型存儲、模型製作、切片都在雲端進行,完全實現了3D列印無線化、網路化,得益於這點,是不是建築模型再也不用在電腦上辛辛苦苦建模,一部手機搞定一切,在手機端建好模型,發到雲端,直接3D列印出來。

國內做這方面研究的也有很多,但魚目混雜,真真假假,不好分辨,我特意去搜搜了,查了查,貌似只有魔猴網這個3D列印雲服務平台,做出了東西,據了解,他們即將發布一款3D列印智能控制單元——魔猴盒子,實現了移動端完全操控3D列印全過程
http://www.mohou.com/cloud/hezi.html

(圖片來自魔猴網,侵權速刪)

(圖片來自魔猴網,侵權速刪)
2、3D列印建築模型的缺點
因該是價格吧,如果選取一特殊材料價格應該會貴些
不過也多不了多少
二、3D列印建築實體
就目前來說3D列印建築實體有兩個主要大的限制,一是材料,二是印表機尺寸
不過我覺得這都不是問題
1、材料
先說材料,鋼筋水泥是用的最多的材料,國外已經研發出可以列印混凝土的印表機

(圖片來自網路,侵權速刪)

(圖片來自網路,侵權速刪)
新聞報道:
荷蘭埃因霍溫技術大學又在這方面取得了新的突破:他們開發出了一款新型的混凝土3D印表機,不但有著很高的列印精度,而且有著11米×5米×4米的超達構建空間。該設備目前是由荷蘭公司ROHACO打造的,目前已經投入了實際使用。
所以說材料問題不是主要的原因了,當然現在來說還是問題
2、印表機尺寸
當材料問題解決掉以後,剩下一個就是尺寸了
現在已經運作的是拆開列印,最後組裝成型,國內蘇州那個3D列印建築群就是這樣列印出來的

(圖片來自網路,侵權速刪 蘇州3D列印建築群)

(圖片來自網路,侵權速刪 蘇州3D列印建築群)
但這是遠遠不能滿足的,我們需要的是3D列印出一個整體的建築
機械手臂的發展也許會是一個契機
機械手臂是將列印頭安裝在手臂上,它的移動方式比較複雜,允許不同的運動軌跡。這樣就可以克服以前因為運動條件而產生的某些限制,就可以列印更大體積的東西。

(圖片來自網路,侵權速刪)

(圖片來自網路,侵權速刪)

不過以後當這些問題都解決掉以後,還有一個更大的問題,幾十年後,我們去哪裡建造房屋?
城市化將何去何從?
哎,我們什麼時候可以等到房價下降?


3D列印建築?
不現實,從效率、成本、實用性等角度看,3D列印在建築領域應用都不會有太大突破。
我們為一些客戶做過一些建築3D列印,也只是一些小尺寸的沙盤、模型列印。
現階段3D列印在建築領域的應用以沙盤、樓盤模型列印為主。
國內有許多做3D列印加工設計的網站,比如叄迪網(http://www.3drp.cn)、微小網(http://www.vx.com)等,自己可以親身體驗3D列印!

看沙盤列印效果


關注這個問題很久了,直到今天才想清楚怎樣作答。

以下個人拙見,如有偏頗請指正。

首先需要說明的是絕大多數的建築都不需要3D列印。

個人認為3D列印存在的意義是生產出少量的特殊形體構件(如多階曲面)以及結構複雜到一定程度的構件

由於需求量較小,開發模具的費用遠超過3D列印耗材費用;由於結構複雜,傳統製造方式無法企及,所以用3D列印的形式來彌補。

於是,3D列印之於傳統製造方式猶如家用印表機和印刷廠。絕大多數人不會選擇下載電子書列印裝訂成冊,應為印刷廠提供了更加快速便捷的成品書。

再舉兩個我們身邊日用品的例子:成衣製造可以按不同尺寸快速大量製造,同一型號的汽車模具可以滿足流水線的生產所需。

而真正需要個體單獨製作的往往是高級定製、T台服裝和少數概念車、限量車型等脫離日用品範疇的個性化產品。

反觀建築,絕大多數我們接觸到的「日用品」建築是不需要特殊的定製的。這些建築可以按照模數化預製構件或者預製模具,無論是品質還是建造速度都遠超3D列印。

現有3D列印還是有不可避免的弊端。

如今所謂的3D列印建築還處於實驗性階段,無論是Enrico Dini 的作品還是湧現的各種所謂的3D列印混凝土,為材料配筋的問題一直是3D列印技術的枷鎖。無配筋的傳統混凝土在抗剪力方面弱的一逼,更不用提水泥混著玻璃纖維配膠水的列印用混凝土和砂石列印了。

可是無論如何,現階段的建築學都需要研究3D列印在建築中的應用,並且期盼著有一天3D列印技術能夠真正純熟到足以應用到實際的建築建造中。


為什麼這麼說呢?

研究生階段有幸聽了一次Ross Lovegrove的演講,其中有一個論點我十分贊同。他說為什麼我現在都在做一些小尺度的傢具設計以及器械設計,那是因為現有的建造技術還不足以支撐起我對於建築的設想。在網路上可以找到成千上萬張非線性的建築設計作品,但其中沒有幾個能實際建造出來。我也補充一句,建造出來的也是毀譽參半。究其基本原因那便是現有的建造技術已經不足以實現人們對於設計的構想。且不論非線性的設計和各種參數化概念的優劣與否,我們總需要為現在的建築學的發展方向找一個出口。

那麼現階段看來3D列印便是實現這些造型的最便捷手段之一。

相對於其他自動化建造手段,3D列印在機械控制方面很簡單。通過將列印路徑轉化為點坐標的形式傳達給機器,配以合適的參數如列印速度、溫控等便可以實現建造。這一點對於那些機械知識和編程技巧薄弱的建築師們是一個福音。即一個建築師只需要會建模便可以完成3D列印的建造。對於小尺度的推敲展示用模型現有的3D印表機便可以完成。對於大尺度的建材模型,我們也可以通過Rhino的一些插件,將模型直接轉化為機械臂的指令。這就意味著設計與列印之間的轉化不存在任何鴻溝。

問題的根本又回到了列印的工藝上。只有合理解決好材料以及合理的製作技術才能夠將3D列印技術應用到建築中。畢竟建築是需要以百年為時間單位來衡量的產品,任何建造的瑕疵都有可能是人命關天的問題。

再此,我斗膽預測,未來五年之內會有相對成熟的3D列印技術足以應用到建築中以滿足一些個性化的設計。屆時,建造成本有可能相較於目前的建造手段更低。至於建造速度所造成的時間成本消耗,只能說相信隨著技術的完善會變得越來越理想。

P.S. 尼瑪,之前辛辛苦苦手打了幾千字的回答由於網頁崩潰全不見了,再打一遍的時候變得愈發的沒有耐心,措辭過激,縮水了很多,各位見諒。


目前的應用確實是只能列印建築模型。但是我認為和建房子相比3D列印似乎更適合用於拆房子!在現代繁華高密城市裡建房子在技術上早已沒有挑戰然而如何在建築密集區安全環保的拆掉一棟建築卻極為困難,逆向運用3D列印技術有望解決這一難題,目前這種實驗性概念設備已經問世。有興趣可以看看:http://www.omerh.com/portfolio/ero-concrete-de-construction-robot/


列印混凝土預製件,Loughborough University 有在做這個研究,不過離應用應該還有很大距離:
介紹:3D concrete printing promises new artistic freedom for architects
視頻:http://www.youtube.com/watch?v=EfbhdZKPHro (要翻牆)


謝邀,3d列印現在對於建築的意義還很不明朗,一個是價格不菲,另外是列印尺寸的大小。在實際運用上還是會有很多現實的限制。這個樓上幾位詮釋得很清楚了。
對於這種新技術,我個人還是很看好他的未來的,也許不會直接對建築設計本身產生直接影響。但是對於構建廠商等等會有很大的幫助,也許會有更多新的構建元素的產生。從而拓展了建築的可能性。
也許有一天3d列印可以使用多種材料的時候,我們也許會看到施工現場就搭建著一台巨大的印表機和幾台小型印表機列印各種大小不同精度的建築構建。然後少量工人和一堆自動機械,在很短的時間內有機配合,製作出極高品質的建築。


我記得早前一到兩個月看電視說說某地有3d列印房子的,記得還說可以節約建築材料百分之10。一會仔細搜一下。摺疊我吧


搜索回來,貼鏈接http://m.baidu.com/from=1000969a/bd_page_type=1/ssid=0/uid=0/pu=usm%400%2Csz%401321_1004%2Cta%40utouch_2___/baiduid=78DA4B45899E0ADBC8698D272074E164/w=0_10_3d%E6%89%93%E5%8D%B0%E5%BB%BA%E7%AD%91/t=wap/l=3/tc?ref=www_utouchlid=8126982032051166683order=3vit=osrestj=www_normal_3_0_10m=8dict=21sec=38585di=d3cb0711a8bc487dbdenc=1nsrc=IlPT2AEptyoA_yixCFOxXnANedT62v3IEQGG_ytQ_zSvnFq9xPvxJxEsRD8qR7jTUS4ju7y2eMp2aSX9Nz5z7qR2rKtks75f87jb9fX6hhG_EsxNsdy


個人認為:
建築的定製,我恰恰認為是非常需要的。從一個角度去講,現在買房,沒有一個戶型是自我滿意的,所以挑地段挑戶型。如果有3D列印可以建築房屋,在蓋房之前,你可以自由選擇區域內的房屋建造格局,除去承重部分之前,每一個戶型都在有限的空間內實現自由配置,為什麼現在實現不了,你讓一堆工人每個人拿著一堆不一樣的圖紙去生產,累尿了。如果交給3D印表機,如果你真的了解3D印表機的話,你就知道,這很簡單,是的,就像計算機,0和1的區別。有數據的地方,我就蓋,沒有的地方就空白。現在有些地方用3D列印建築別墅,就是這樣的目的,錢花了花的值。你買的是一塊地,怎麼蓋房子,還是自己說了算。
對於目前製作沙盤什麼的,我們一直在做,只是眾多應用中很小的一部分。我們的目標也是希望未來3D列印很輕鬆的蓋房子。對於技術,我比較贊同某童鞋的多個機器人聯動製造的方式,蜂巢,就是這樣。

順便對某個答案的論據表達下個人看法:

原論據:3D列印之於傳統製造方式猶如家用印表機和印刷廠。絕大多數人不會選擇下載電子書列印裝訂成冊,應為印刷廠提供了更加快速便捷的成品書。

答:印刷廠只會為一部分作者印刷書,而3D列印解決的是每個人都想要印刷書籍的事情。誠然印刷廠解決了大批量製造問題,但是並不是很多東西都需要大批量製造,擠壓的庫存和高額的物流就是例子。

原論據:再舉兩個我們身邊日用品的例子:成衣製造可以按不同尺寸快速大量製造,同一型號的汽車模具可以滿足流水線的生產所需。

答:我可以負責任的告訴你,沒有一件衣服你穿上是合身的,3D列印解決的是一人一版的問題。汽車,未來的汽車應該沒有私家車了,我比較認可這個觀點,就像機器人瓦力裡面那樣。

原論據:而真正需要個體單獨製作的往往是高級定製、T台服裝和少數概念車、限量車型等脫離日用品範疇的個性化產品。

答:如你所說,現在的定製都是高級的,不可觸摸的,限量的。3D列印要解決的就是每個人都可以輕鬆的,簡單的,廉價的獲得定製的東西。


利益相關:本人在做基於3d掃描技術的古建模型沙盤
扯遠一點,先說說建築的發展。

建築是建築物與構築物的總稱,是人們為了滿足社會生活需要,利用所掌握的物質技術手段,並運用一定的科學規律、風水理念和美學法則創造的人工環境。

3d列印對於建築的行業的改變,如同他對其他生產行業的改變其實沒有什麼不同,帶來的時顛覆性的生產模式創新和與之同步增長的創造力噴發。
如果說到實處,從建築的幾個階段來看,可以看到3D列印在建築的應用。
1.設計階段
如同很多手辦等等的需求在3d列印之後得到發展,3d列印在生產上實現了個性化生產。而建築恰恰就是一個很好的一個唯一性的生產行業,不否認國內很多小區是批量複製設計,但是這並不是個很好的方式。一個建築如何在設計階段就看到結果,而不是像某大樓推倒重建。
這個結果不只是包括建築主體的設計,也包括和周邊環境的協調,配套建築,整體效果等等。
看幾個案例:
中國「短命建築」的非正常死亡

如果這樣:

如果這樣:


問題就不會有了。

第二個階段
建築階段

上邊有很多回答提到了使用3d列印技術蓋房子,其實現在以3d列印的原理在做的事情已經不少了。只不過層次不同。傳統的磚梁結構,到現在自由的鋼結構。但是建築畢竟是個嚴肅的事情,單獨靠一種建材來實現一棟大樓的建設,對於材料的要求太高了,恐怕成本只有宇航局才能承受。
但是未來隨著材料科學的發展,一旦有了突破,未來的水泥可能直接就變成了3d列印的耗材。

尼瑪這貨也是3d列印的一種啊

尼瑪這貨也是3d列印的一種啊

三、記憶階段
也是我現在做的,建築是一門藝術,更是人類對於地球改造過程中留下的印記,留下他們對於技術的發展和回憶都是有好處的,尤其和很多古建築。
我們現在在使用3d掃描技術掃描古建築 雕刻的數據,已經實現了大尺寸的掃描突破,同時用3d列印技術恢復,微縮。


3D列印是一種以數字模型為基礎,運用粉末狀金屬或非金屬材料,通過逐層列印的方式來構造物體空間形態的快速成型技術。由於其在製造工藝方面的創新,被認為是「第三次工業革命的重要生產工具」。3D是「threedimensions」簡稱,3D列印的思想起源於19世紀末的美國,並在20世紀80年代得以發展和推廣。3D列印技術一般應用於模具製造、工業設計等領域,目前已經應用到許多學科領域,各種創新應用正不斷進入大眾的視野。

  1、3D列印技術進展情況

  3D印表機與傳統印表機最大的區別在於使用的原料,3D印表機使用的不是墨水,而是實實在在的原材料。3D列印時,軟體通過CAD(計算機輔助設計)技術完成一系列數字切片,並將這些信息傳送給3D印表機,印表機分層列印並將連續的薄層堆疊起來直到一個物體成型。根據成型原理的不同,3D列印技術大致可以分為以下4種。

  1.1、SLA技術

  立體光固化成型技術(SLA,stereolithographyapparatus),SLA技術為最早發展的3D列印技術,該技術以液態光敏樹脂為原料,主要用於模具製造,目前仍為3D列印的主流技術之一。

  SLA技術工藝過程如下:首先對三維模型進行切片處理以生成掃描路徑數據;激光束沿掃描路徑照射到液態光敏樹脂表面,被照射的樹脂薄層產生光聚合反應而固化形成零件的一個薄層;然後升降台下降一定的高度,在固化層表面覆蓋另一層液態樹脂並進行第2次激光掃描;這樣層層疊加即可形成三維零件原型。最後將原型從樹脂中取出,經打磨、電鍍、噴漆等處理即可得到產品。

  SLA技術具有成型速度快、列印精度高、表面質量好、列印模型尺寸大(可達1524mm)等優點,但由於樹脂固化過程中易產生收縮,不可避免地會產生應力或引起變形。因此開發收縮小、固化快、強度高的光敏材料是SLA技術的發展趨勢。

  1.2、FDM技術

  熔積成型技術(FDM,fuseddepositionmodeling),該方法是Scott·Crump在20世紀80年代發明的。、FDM技術以石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲等絲狀材料為原料,將絲材加熱至略高於熔點,通常控制溫度比熔點高1℃。列印頭根據計算機提供的截面信息作平面運動,將熔融的材料塗覆在工作台上,冷卻後即形成零件的一層截面;此後列印頭上移一定高度,進行材料的下一層塗覆,這樣逐層堆積即可形成三維零件。

  FDM技術主要用於中、小型工件的成型,且有成本低、污染小、材料可回收等優點。主要缺點在於精度稍差、製造速度慢、使用的材料類型有限。

  1.3、SLS技術

  選擇性激光燒結技術(SLS,selectivelasersintering),SLS技術最初由美國的Carlckard於1989年在其碩士論文中提出。SLS技術採用激光有選擇地分層燒結固體粉末,並使燒結成型的固化層疊加生成所需的零件。

  SLS技術工作原理如下:工作時粉末缸活塞上升,鋪粉輥將一層粉末均勻鋪在成型缸活塞上,計算機控制激光束的掃描路徑,有選擇地燒結固體粉末材料從而形成零件的一個層面。燒結完成一層後,工作活塞下降一個層厚的距離,鋪粉系統重新鋪上粉末,激光束再掃描燒結新層。如此循環往複,直到三維零件成型。

  SLS技術最突出的優點在於它所能使用的材料十分廣泛。目前SLS技術可採用的材料有石蠟、高分子、金屬、陶瓷粉末以及它們的複合粉末。金屬粉末SLS技術是近年來研究的一個熱點,該技術可直接燒結傳統切削工藝難以製造的高強度零件。

  1.4、LOM技術

  分層實體製造技術(LOM,laminatedobjectmanufacturing),該技術是美國Helisys公司於1991年研製成功的一種快速原型製造技術。

  LOM技術常用的材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜等,此方法除可以製造模具、模型外,還可直接製造結構件。LOM技術成型原理如下:激光切割系統按照計算機提取的橫截面輪廓數據,將塗有熱熔膠的紙用激光切割出構件的內外輪廓,並將廢料部分切割成網格。切割完一層後,疊加新的一層紙,並利用熱粘壓裝置將其與已切割層黏合在一起,進行下一次切割,不斷重複並最終形成三維構件。

  LOM技術的特點是成本低、效率高、穩定可靠、適合大尺寸製作。缺點是前、後處理複雜,且不能製造中空構件。

  2、3D列印技術的應用領域

  3D列印技術可以應用於任何行業,只要這些行業需要模型或原型。其中對3D列印技術需求較大的行業包括航天、國防、醫療衛生、科研教育、工業以及食品行業。

  1)醫療行業2012年外科醫生已成功將3D列印的鈦合金骨植入一位患口腔癌的比利時婦女的下巴,這僅僅是3D列印技術在醫療行業的開始,科學家正在研究列印人體心臟瓣膜和腎臟等人體器官。

  2)科學研究美國的研究人員利用3D列印技術做出了適合研究的3D化石模型,不僅保留了原化石所有的外在特徵,而且還可以做比例縮減,使之更適合於研究。

  3)工業領域現代工業新產品的開發往往需要事先製作模型,比如手機、汽車、飛機等產品在推出之前需要做很多模型和零部件。3D列印技術可以直接列印產品,不僅大大減少前期研發的時間,而且會改變工業領域的生產方式。

  4)文物保護博物館常常會用替代品來保護原始作品不受環境或意外事件的傷害]。陝西歷史博物館不久前用了14h列印了長11cm、高11.5cm的國寶文物「金怪獸」。通過3D列印出來的複製品和文物原件幾乎一模一樣。

  5)食品產業美食愛好者已經嘗試用3D印表機列印巧克力和曲奇餅乾。營養師考慮根據個人的基礎代謝量和每天的活動量利用3D印表機列印每日所需的食物,以此來控制肥胖、糖尿病等問題。

  3、3D列印技術在工程實踐中的應用

  3D列印技術在建築領域的應用目前可分為2方面:一是在建築設計階段,主要是製作建築模型;二是在工程施工階段,主要是利用3D列印建造技術建造足尺建築。

  在建築設計階段,設計師們已經開始使用3D印表機將虛擬中的三維設計模型直接列印為建築模型,這種方法快速、環保、成本低、模型製作精美。目前3DSYSTEM公司的3D印表機能以石膏粉為荷蘭DUS建築師正在利用一台名為KamerMaker的大型3D印表機「建造」全球首棟3D列印住宅建築。這棟建築代號為「CanalHouse」,共有13個房間組成。目前整個項目已經開始在北部運河的一塊空地上「奠基」,整個建築有望3年內構建完成。

  3D列印建造技術在工程施工中的應用在當前形勢下有重要意義。我國逐漸步入老齡化社會,在勞動力越來越緊張的形勢下,3D列印建造技術有利於縮短工期,降低勞動成本和勞動強度,改善工人的工作環境。另一方面,建築的3D列印建造技術也有利於減少資源浪費和能源消耗,有利於推進我國的城市化進程和新型城鎮化建設。但3D列印建造技術也存在很多問題,具體如下。

  3.1、列印材料

  目前廣泛應用的建築材料——混凝土抗壓性能良好,抗拉性能卻較差,因此儘管英國的阿斯普丁在1824年就發明了波特蘭水泥,但混凝土結構的大規模應用直到鋼筋的出現才得以實現。現在的鋼筋混凝土結構體系中,在構件的受拉部位布置鋼筋用以承受拉力。混凝土材料受壓,鋼筋受拉,兩者協同工作形成一個整體。如採用單一列印材料,對以承受壓力為主的牆柱構件在大部分條件下是合適的,牆柱構件只有在大偏心受壓的情況下才會出現邊緣混凝土受拉,但對於梁板等受彎構件還是不適合的。

  目前採用的3D列印材料都是以抗壓性能為主,抗拉性能較差,一旦拉應力超過材料的抗拉強度,極易出現裂縫。正是因為存在著這個問題,所以目前 3D 列印房子的樓板只能採用鋼筋混凝土現澆或預製樓板。

  此外,由於採用單一材料,沒有鋼筋的抗拉作用,對於混凝土類材料來說,一旦出現裂縫就喪失了抗拉能力,這會導致構件的連續破壞。所以列印材料本身應具有良好的抗裂能力,能抑制本身的干縮和徐變等引起的裂縫。另一方面,材料應有韌性,從結構的安全形度考慮,要防止出現構件的脆性破壞,從構件出現裂縫到構件損壞乃至結構倒塌,應有一定的時間和足夠的構件變形量,以給出警示並有充足的時間方便人員撤離。

  列印過程中列印材料需要通過輸送管道並經列印頭的列印才能成型,因此列印材料應具有良好的和易性。並且在列印過程中上層材料的堆積會對下層材料形成壓力,如果下層材料在短時間內沒有形成足夠的強度,就會在壓力作用下變形,因此列印材料還應具有較快的初凝時間和較高的初凝強度。

  尋找具有良好抗壓、抗拉性能,較強的抗裂性能和韌性以及較快的初凝時間和較高的初凝強度的複合列印材料是當前3D列印技術在建築工程施工中應用的關鍵。

  3.2、設計方法

  目前3D列印建造技術在工程施工中的應用還屬於探索階段,沒有成熟的設計理論和方法可以借鑒。由於3D列印建築與傳統的鋼筋混凝土結構和砌體結構在材料性能和建造工藝上有較大區別,因此需要在借鑒現有規範的基礎上研究適合於3D列印建築的設計理論和設計方法。

  對於3D列印多層住宅,由於荷載不大,對牆構件可以不配鋼筋,因此可以參考《砌體結構設計規範》GB50003—2001中的無筋砌體的設計方法,目前需要解決以下問題:①確定3D列印建築的靜力計算方案;②確定牆體的折算厚度計算方法以及受壓穩定承載力公式;③確定3D列印牆體的高厚比限值;④3D列印牆體局部受壓承載力計算方法;⑤3D列印建築的抗震性能,確定3D列印建築的抗震計算方法及圈樑設置、構造柱布置等抗震構造要求。

  對於3D列印高層建築,在參考《高層建築混凝土結構技術規程》JGJ3—2010的基礎上,需要解決以下問題;①3D列印高層建築的結構體系和計算方法;②3D列印牆體的配筋方法及配筋構造;③3D列印配筋牆體的承載力計算;④3D列印配筋結構的抗震性能,確定3D列印建築的抗震計算方法及抗震構造要求。

  3.3、施工工藝

  3D列印建造技術作為一種全新的施工方法,與傳統的施工方法相比有諸多的不同點,其在施工工藝方面存在以下問題。

  3.3.1、支撐問題

  列印材料在形成強度之前都存在一個支撐問題,如果在一個複雜部件內部沒有設計合理的支撐,列印結果很可能是會變形的。對於3D列印建築來說,結構材料自重大,支撐問題尤為突出。列印材料達到設計強度之前時間較長,如目前的混凝土的養護齡期為28d,對於梁板構件,達到75%強度需要2周左右。在這段時間內,支撐是必不可少的。因此對於3D列印建築來說,如要在現場一次成型列印建築,如何設置支撐是一個必須解決的問題。

  3.3.2、找平問題

  在很多人的概念中,3D列印是一個簡單的過程,只要點一下列印按鈕,3D印表機就能列印出設計好的三維模型。其實這個概念並不正確,打磨、燒結、組裝、切割這些後期工序是無法避免的。如3D列印出來的手槍,表面比較粗糙,需要經過打磨、切割等工序才能得到成品。目前3D列印房子的牆面比較粗糙,表面凹凸不平,如圖9所示,需要後續工作對牆面進行找平、抹灰等處理才能投入實際使用,或者在列印階段就考慮對牆體進行抹平處理。

  3.3.3、配筋問題

  目前的3D列印材料還存在性能較差等諸多問題,如要在此基礎上建造3D列印建築,對構件配筋是一個相對簡單的方法,但是如何在列印過程中實現對構件的配筋是一個需要考慮機械、材料、工藝等多方面因素的綜合性問題,需要多學科配合才能解決。

  4、3D列印建造技術的發展思考

  3D列印技術在建築領域的應用目前主要集中於設計階段,在建築施工階段的應用還處於探索階段,有很多實際問題需要解決,但3D列印建造技術能節省材料,減輕勞動強度和勞動成本,具有很好的市場前景,符合國家的可持續發展規劃,因此我們相信3D列印建造技術的應用前景是廣闊的。針對3D列印建造技術目前存在的問題,有如下思路和方法可供參考。

  1)研發具有較高抗拉強度、較強抗裂能力和塑性的複合材料,可以通過在混凝土基材中加入纖維材料和細骨料的方法來提高其抗拉強度和各項性能指標。

  2)採用兩種列印材料,一種為受壓材料,一種為受拉材料,列印時設置雙列印頭,在構件的受拉部位列印受拉材料,受壓部位列印受壓材料。兩種列印材料之間必須具有良好的黏結性能,才能有效形成一個整體工作。

  3)採用受拉性能良好的模板,將受壓材料列印在模板中。模板可以起到3個作用:一是支撐作用;二是作為受拉材料,起到類似於鋼筋的作用;三是可以解決列印材料表面粗糙的問題。模板材料可以採用鋼板或者受拉性能良好且有一定剛度的纖維材料。

  4)開發機械支撐模板設備,在列印過程中可為列印材料提供支撐,在材料達到一定強度後又可迅速拆卸並重複利用。

  5)印表機械的研製,印表機械是實現3D列印建造技術的重要工具。印表機械的移動範圍直接影響到可列印建築的尺寸,列印噴頭的性能直接影響到列印精度和列印效果。設計合理的印表機械是實現3D列印的必要條件。

  在政府層面,應借鑒國外關於3D列印技術的推廣經驗和成功實踐,加緊制定適合我國國情的法規制度,推進3D列印技術在建築領域的應用。

  1)逐步建立材料性能相當於C10——C80的3D列印材料體系,並公布材料的配方,建立一批3D列印材料企業,降低3D列印材料價格。

  2)逐步建立3D列印建築在設計方法、施工工藝、驗收標準等方面的相關標準體系。

  3)建立有效的激勵機制,嚴格的考核制度,大力推廣建築的3D列印建造技術,鼓勵企業採用3D列印建造技術。

  5、結語

  鋼筋混凝土理論和現代建設技術在100多年的發展時間裡,就讓世界發生了翻天覆地的變化,一座座摩天大樓拔地而起,大橋、隧道、地鐵隨處可見,我們相信,3D列印建築時代的來臨一定會給我們帶來意想不到的改變。哥本哈根未來研究學院名譽主任約翰·帕魯坦的一句話值得我們深思:我們的社會通常會高估新技術的可能性,同時卻又低估它們的長期發展潛力。


如果列印整個建築不太現實的話,可以首先考慮一下室內設計。現在已經有技術在時裝上列印出一些圖紋出來,我覺得這種技術也可以運用到室內裝潢上來。一些室內圖紋的加工成型可以交給3D印表機來做。總之,大處不行,先從小處著手。


第一次被邀,謝。第一次回答,激。
若干年前首次聽說3D印表機,想法就是拿來做建築模型。在學校時,經常切硬紙板KT板木板到手斷,塗上U膠拼成小有想法和設計的建築模型,來直觀的感受一番自己設計的建築作業,特別是異形建築。若用上3D列印,模型數據輸入3D印表機,直接列印出建築模型。
一段吐槽與懷念。

參數化設計、 異形建築形體或局部複雜,用傳統的設計軟體、圖紙、施工技術難以精確表達。BIM(建築信息模型)在國內的逐漸應用,相信電腦中的建築模型完全可以與3D印表機銜接。隨著3D列印技術的發展,列印材料增加、可列印體量變大和成本降低,可以直接列印出建築裝飾構件,再拉到施工現場安裝拼接。甚至可以列印具有足夠強度的結構構件,最近不是有衛星說我國將3D印表機用在灰機起落架的製造過程中嘛。


本人非3D列印相關從業者,也不是建築行業從業者,但對3D列印技術一直比較關注。事實上大家都覺得3D列印最大的難處在於耗材,比如列印材料結構較多樣的產品,以及一些金屬(目前分解技術不成熟的),這些問題的確需要漫長的時間來成熟。但是,混凝土不本身就是先流狀後凝固的材料嗎?正好適合列印啊!因此,這個應該不是問題了。好了,接著就是鋼筋結構框架,這個肯定目前不可能直接列印鋼筋,但是或者可以用3D列印技術焊接鋼架呢?就算暫時不能,那就這塊暫時還是人工完成。剩下混凝土剛剛說到列印不是問題,那麼就是很多回復者提到的要造超級大(大於房子)的印表機,這個本人認為或許可以有其它思維方向來解決,我想到的是現有那種升降混凝土建築機,它的噴頭本身劉可以伸出超過自身體積很大的地方去了,如果在這種設備上面加上列印模塊和軟體,控制噴出點與噴出量,感覺上就可以工作了呀?是我想見到了嗎?歡迎大師們指點


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