建筑与3D打印

1、Made by BUT建筑与建筑与3D打印打印3D打印技术在建筑业的发展现状分析Made by BUT013D打印概述打印概述02建筑实例建筑实例03现状分析现状分析目录目录1.第三次工业革命第三次工业革命2.3D打印技术的发展3.3D打印的原理、特点4.3D打印的分类、应用5.建筑装饰与模型1.“轮廓工艺轮廓工艺”2.莫比乌斯环屋莫比乌斯环屋3.月球空间站月球空间站3.“打印房屋打印房屋2.0”4.荷兰荷兰“运河屋运河屋”5.青浦园区打印屋青浦园区打印屋6.中世纪城堡中世纪城堡1.3D打印建筑的优点打印建筑的优点2.3D打印建筑的不足3.3D打印建筑的技术难题建筑与建筑与3D打印打印Made

2、 by BUTPART1. 3D打印概述3D打印打印（英语：3D printing），即快速成形技术的一种，它是一种数字模型文件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可粘合材料，通过逐层打印逐层打印的方式来构造物体的技术。Made by BUT010203第第三三次次工工业业革革命命 18世纪世纪60年代，蒸汽机的广年代，蒸汽机的广泛使用引发了第一次工业革命泛使用引发了第一次工业革命。 发电机和电动机的发明发电机和电动机的发明和使用和使用，成为第二次工，成为第二次工业革命的突出标志。业革命的突出标志。2012年年4月，英国著名财经杂志月，英国著名财经杂志经济学人报道称经济学人报道

3、称“3D打印将打印将推动第三次工业革命推动第三次工业革命”。由此，。由此，3D打印技术被称为打印技术被称为“具有工业革具有工业革命意义的制造技术命意义的制造技术”。？Made by BUT创新触发期创新触发期根据2013年7月的3D打印技术曲线成熟度（Hype Cycles）报告，技术成熟曲线分为五大阶段：创新触发期（Innovation Trigger），期望膨胀期（Peak of Inflated Expectations），泡沫化的谷底期（Trough of Disillusionment），稳步爬升的光明期（Slope of Enlightenment），实质生产的高峰期（Platea

4、u of productivity）。由图可知，个人级3D打印技术正处于期望膨胀期，而企业级3D打印技术已经步入稳步爬升的光明期。期望膨胀期期望膨胀期泡沫化的泡沫化的谷底期谷底期稳步爬升稳步爬升的光明期的光明期实质生产实质生产的高峰期的高峰期Made by BUT+ +- -成型原理成型原理对比分析对比分析3D打印技术（加法）打印技术（加法）A传统机械加工（减法）传统机械加工（减法）B3D打印技术，学术上又称“添加制造”技术，也称增材制造或增量制造。3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产。传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品

5、3D打印机技术在原理上并不复杂。与传统制造业在材料上做减法不同，它奉行的是加法守则。要打印一个东西，你首先要有一张3D立体图，配套的软件会把这张图上的物体进行一系列数字切片，并将切片信息传送到打印机，打印喷头立刻启动，根据切片信息，一层层极薄地堆叠出立体物件。3D打印的原理打印的原理Made by BUT0101数字制造借助CAD等软件将产品结构数字化，驱动机器设备加工制造成器件：数字化文件还可借助网络进行传递，实现异地分散化制造的生产模式。0202降维制造即把三维结构的物体先分解成二维层状结构，逐层累加形成三维物品。因此，原理上3D打印技术可以制造出任何复杂的结构，而且制造过程更柔性化。03

6、03堆积制造“从下而上”的堆积方式对于实现非匀致材料、功能梯度的器件更有优势。0 04 4直接制造任何高性能难成型的部件均可通过“打印”方式一次性直接制造出来，不需要通过组装拼接等复杂过程来实现。0 05 5快速制造3D打印制造工艺流程短、全自动、可实现现场制造，因此，制造更快速、更高效。3D打印的特点打印的特点Made by BUT3D打印机分为民用级（个人级），工业级（企业级，专业级，生产级）打印机分为民用级（个人级），工业级（企业级，专业级，生产级） 只能打印单色物体，同一台打印机不能更换耗材 价格：最便宜的几千几万元不等（有国产和进口区分） 材料范围：尼龙，塑料，树脂等少数可塑性材料

7、打印速度：手掌大模型需打印几十分钟几个小时（根据模型复杂程度） 打印机体积：普通桌面可放置 操作难度：操作简单，需三维设计人员操作民用级民用级3D打印机打印机 可以直接打印混合彩色物体 价格：上百万元 材料范围：金属，陶瓷，塑料等常见材料 打印速度：可高速批量打印 打印机体积：体积较大 操作难度：操作复杂，需培训专业人员操作工业级工业级3D打印机打印机眼下3D打印机有两种类型，一种是堆叠法，一种是烧结。原理基本都是多层分片打印，而堆叠和烧结只是成型技术的区别。堆叠只能成型塑料、硅之类的材质，对固化反应速度有要求，而烧结可以利用激光的高温对金属粉末进行处理加工出金属材质的东西出来，实体可通过打磨

8、、钻孔、电镀等方式进一步加工。3D打印机的分类打印机的分类Made by BUT航空航空航天航天汽车汽车制造制造3D打印打印的应用的应用医疗医疗牙科牙科电子电子产品产品科研科研教育教育脱蜡脱蜡铸造铸造建筑建筑零部件零部件产品产品造型造型服装服装鞋帽鞋帽玩具玩具模型模型珠宝珠宝首饰首饰食品食品电影电影Made by BUT3D打印与建筑打印与建筑由下表可知，由下表可知，3D打印在建筑业的应用尚未形成规模。而在打印在建筑业的应用尚未形成规模。而在现实生活中，现实生活中，3D打印主要应用于建筑装饰以及建筑模型的制作，打印主要应用于建筑装饰以及建筑模型的制作，3D打印实体建筑尚处于试验性阶段。打印实体

9、建筑尚处于试验性阶段。Made by BUT应用现状建筑装饰建筑模型目前，3D打印在建筑装饰上已经比较成熟，个性化的装饰部件已经成功应用于水水立方、上海世博会大会堂、立方、上海世博会大会堂、国家大剧院、广州歌剧院、国家大剧院、广州歌剧院、东方艺术中心、凤凰国际东方艺术中心、凤凰国际传媒中心、海南国际会展传媒中心、海南国际会展中心、三亚凤凰岛中心、三亚凤凰岛等成百上千个建筑项目。在建筑业，设计师们使用3D打印机打印建筑模型，这种方法快速、低成本、快速、低成本、环保，同时制作精美环保，同时制作精美。3D打印模型是建筑创意实现可视化与无障碍沟通可视化与无障碍沟通最好方法。完全符合设计者的要求，切有节

10、省大量的材料和时间。Made by BUTPART2. 建筑实例按照发展顺序发展顺序，详述了国内外3D打印实体建筑实体建筑的案例，主要包括包括“轮廓工艺”、莫比乌斯环屋、月球基地、“打印房屋2.0”、荷兰“运河屋”、青浦园区打印屋（中国上海）（中国上海）、中世纪城堡。Made by BUT2012年，由美国航天局（NASA）出资，美国南加州大学工业与系统工程系的比洛克霍什内维斯（Behrokh Khoshnevis）教授做了一个3D打印技术应用在建筑领域的电脑模拟展示，运用“轮廓工艺”系统在不到20小时的时间内能够建造一幢面积2500平方英尺的建筑。比洛克霍什内维斯教授说，“轮廓工艺”打印出来

11、的墙壁是空心的，虽然质量更轻，但它们的强度系数比传统房屋更高，而且节省了20%-25%的资金、25%-30%的材料和45%55%的人工，他表示做这项研究的最初目的只是想给穷人们又快又好地盖房子。他的这项技术创新早在2006年就被美国发明家名人堂和现代奇迹栏目评为年度最佳发明。但遗憾的是，这项发明却一直没能走出实验室。“轮廓工艺轮廓工艺”Made by BUT“Landscape House”莫比乌斯环屋莫比乌斯环屋荷兰建筑师简加普简加普鲁基森纳斯鲁基森纳斯Janjaap Ruijssenaars，来自荷兰的宇宙建筑公司宇宙建筑公司。2013年1月，他表示他们希望能用3D打印技术建造一栋景观建筑

12、，名为“Landscape House”。他们将沙子和沙子和黏合剂黏合剂“打印”成若干个模块，并对其进行组装，最终的成品建筑会采用单流设计单流设计，运用创新的3D打印技术打印技术进行打造，由上下两层构成莫比乌斯环屋莫比乌斯环屋。工程预计能在2014年完工。他的3D打印建筑项目是Europan竞赛竞赛的参赛部分，该竞赛允许超过15个国家的建筑师在两年的时间内建造建筑以参与评奖。Made by BUT项目背景：项目背景：Foster + Partners事务所与欧洲航天局european space agency合作用月球上现有的材料建造3D打印建筑。项目概况：项目概况：利用现有的建造技术，配合三

13、维打印，在未来几年里，人类在月球上建造建筑物将成为可能。通过发明一种能承重的“悬链线”形拱顶和蜂窝结构墙体，使建筑内部能抵御月球上的微流星体和太空辐射的损伤，foster + partners事务所还设计了一种增压充气配件来保护建筑内的宇航员。这种空心封闭气泡结构让人联想到鸟类的骨骼很好地结合了建筑的强度和重量。速度：速度：现有3D打印机的速度是每小时2m左右 墨水：墨水：用于打印的结构“墨水”是一种盐材料 一个在建设中的多穹状月球基地，机器人正在建造右侧两个穹顶工作中的D-Shape型3D打印机，在月球上使用的打印机会更灵活月球空间站Made by BUT建筑模型实例建筑模型实例Made b

14、y BUT荷兰阿姆斯特丹正在建造世界上第一座3D打印房屋。这座房屋名为“运河屋”，由荷兰DUS建筑师事务所设计，共有13个房间，所采用的特大型3D打印机被称之为“KamerMaker”（意为“房屋建造者”）。工作时，KamerMaker逐层打印熔塑层，凝固后形成塑料块。在此之后，建筑工人像玩乐高玩具一样建造运河屋。目前，运河屋已经在阿姆斯特丹北部地区动工，预计3年后竣工。荷兰荷兰“运河屋运河屋”夜色下的运河屋迷你版KamerMakerDUS建筑师事务所的汉斯-沃梅伦表示：“3D打印的运河屋是一个独特的建筑项目，因为这一项目集施工现场、博物馆和研究设施于一身。从3D打印机打印出第一个构造组件的那

15、一刻起，我们便开始了数字制造技术用于建筑业可能性的探索之旅。”运河屋草图运河屋博物馆运河屋的迷你模型Made by BUT号称“全球首批3D打印实用建筑”的房屋近日亮相上海青浦。“将建筑垃圾变废为宝，让建筑工人做更体面的工作，让建筑成本降低50%，让更多人住得起房子，房型家具私人定制，让水更清天更蓝”其研发者马义和近日也被冠上“全国3D打印第一人”的名号。2014年8月25日，10幢3D打印建筑在上海张江高新青浦园区内交付使用，作为当地动迁工程的办公用房。这些“打印”出来的建筑墙体是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，按照电脑设计的图纸和方案，经一台大型的3D打印机层层叠加喷绘而成，10幢小屋的建筑

16、过程仅花费24小时。2014年1月，首批3D打印建筑亮相上海青浦，引发国内外多方关注。这10幢有着方便面式外表纹理的房子，是由一台高6.6米、宽10米、长32米（展开150米）的3D打印机在24小时内打印出来的，平均造价仅为两三万元。走进一个3D打印的房间：设计的多样性可以让门窗等位置在“打印”过程中就预留出来，并且根据需要安装预埋件。与众不同的墙体，也并非钢筋水泥浇筑，而是用一种特殊的“油墨”，根据电脑设计图纸和方案，在现场层层叠加“喷绘”而成。Made by BUTMade by BUT建筑装饰实例：北京草莓大厦Made by BUT据外媒据外媒20142014年年9 9月月1515日报道

17、，日前，日报道，日前，美国明尼苏达州一名工程师安德烈美国明尼苏达州一名工程师安德烈 卢金卢金科科(Andrey Rudenko)(Andrey Rudenko)及其团队用及其团队用3D3D打印机打印机在自家的后院打印出一座中世纪城堡。据在自家的后院打印出一座中世纪城堡。据称该城堡是迄今为止最大的称该城堡是迄今为止最大的3D3D打印建筑之打印建筑之一，也是世界上首个一，也是世界上首个3D3D打印的混凝土城堡。打印的混凝土城堡。该城堡采用混凝土材料，占地面积为该城堡采用混凝土材料，占地面积为1515平方米，虽然城堡大小只能容人站在里平方米，虽然城堡大小只能容人站在里边，但这无疑是边，但这无疑是3D

18、3D打印技术的一个分水岭。打印技术的一个分水岭。卢金科及其团队用了一年有余的时间专门卢金科及其团队用了一年有余的时间专门研制了混凝土打印材料，卢金科称这种材研制了混凝土打印材料，卢金科称这种材料可以建造比较坚固的住宅。整体的外墙料可以建造比较坚固的住宅。整体的外墙以及三个塔顶，采用分别制作，最后搭建以及三个塔顶，采用分别制作，最后搭建组装成为独立且一体的城堡。据工程师本组装成为独立且一体的城堡。据工程师本人介绍，这项新技术不仅可以无限量打印人介绍，这项新技术不仅可以无限量打印古典装饰，还可以创造全新的形状、元素，古典装饰，还可以创造全新的形状、元素，并且有效的降低了成本，解决了技术难题。并且有

19、效的降低了成本，解决了技术难题。中世纪城堡中世纪城堡Made by BUT打印打印 细节细节Made by BUTPART3. 现状分析分析了3D打印实体建筑的现状优缺点现状优缺点，列举了3D打印建筑的近期项目近期项目，预示着3D打印建筑的巨大潜力。Made by BUT02保温保温01油墨油墨03整体性整体性青浦打印屋的青浦打印屋的“油墨油墨”以高标号水泥和玻以高标号水泥和玻璃纤维为主，依靠打印机设备以连续线璃纤维为主，依靠打印机设备以连续线性挤出方式性挤出方式“打印打印”而成，与传统建筑无而成，与传统建筑无异，甚至比传统钢混建筑强度更高。异，甚至比传统钢混建筑强度更高。预留预留“梁梁”和和

20、“柱柱”浇筑的空间，浇筑的空间，预预留门窗洞口，留门窗洞口，一次性解决墙体的一次性解决墙体的承重结构问题承重结构问题。更能够打印出各。更能够打印出各种造型的房屋外立面种造型的房屋外立面。04环保环保空心墙体不但大大减轻了建筑本身空心墙体不但大大减轻了建筑本身的重量，更便于建筑商在其空空的的重量，更便于建筑商在其空空的“腹中腹中”填充保温材料，让墙体成为填充保温材料，让墙体成为整体性自保温墙体。整体性自保温墙体。盈创公司盈创公司3D打印建筑打印建筑“油墨油墨”的另一的另一个核心就是建筑垃圾再利用，包括个核心就是建筑垃圾再利用，包括工业垃圾、尾矿等。让建筑垃圾回工业垃圾、尾矿等。让建筑垃圾回到建筑

21、中，让新建建筑不再产生建到建筑中，让新建建筑不再产生建筑垃圾。筑垃圾。3D打印的优点以青浦园区打印屋为例Made by BUT01材料安全材料安全02材料性能材料性能03结构安全结构安全04使用寿命使用寿命盈创科技盈创科技3D打印的打印的“油墨油墨”构成主要是构成主要是高标号水泥和玻璃纤高标号水泥和玻璃纤维，而某些国家禁止维，而某些国家禁止建筑大量使用玻璃纤建筑大量使用玻璃纤维，因为玻璃纤维会维，因为玻璃纤维会影响人体呼吸系统影响人体呼吸系统。. 关于关于3D打印的标准打印的标准尚未出现，其材料尚未出现，其材料的的防火防火性能性能、隔音、隔音性能、环保性能有性能、环保性能有待考证。高强度水待考

22、证。高强度水泥未来的回收问题泥未来的回收问题如何解决。如何解决。地基是否够扎实？地基是否够扎实？如果要建几十层的如果要建几十层的高楼，房屋的结构、高楼，房屋的结构、材料的坚固性、抗材料的坚固性、抗压性、坚固性、抗压性、坚固性、抗震性震性都有待检验。都有待检验。目前打印的目前打印的房屋最多只房屋最多只能作为临时建筑或是救能作为临时建筑或是救灾用房灾用房 ，而青浦项目，而青浦项目的负责人表示，打印出的负责人表示，打印出来的房屋理论上生命周来的房屋理论上生命周期长达期长达30年至年至50年，年，但尚待验证。但尚待验证。3D打印建筑的不足打印建筑的不足Made by BUTA设备设备为了实现大体量建为

23、了实现大体量建筑物的设计和生产，筑物的设计和生产，必须要开发出专用必须要开发出专用的打印设备。这种的打印设备。这种大型的数控机床，大型的数控机床，它的设计、制造及它的设计、制造及其工艺对于其工艺对于3D打印打印业界来说是很大的业界来说是很大的挑战。机器越大越挑战。机器越大越难制造，更重要的难制造，更重要的是机器越大，打印是机器越大，打印精度和打印速度就精度和打印速度就会越差。会越差。B首先是材料本身固首先是材料本身固化性能的问题。油化性能的问题。油墨是液态的、自凝墨是液态的、自凝固的。一层的凝结固的。一层的凝结时间和另一层的粘时间和另一层的粘合时间必须计算地合时间必须计算地非常准确。非常准确。其次是材料多样性其次是材料多样性问题。问题。建筑不是单建筑不是单一材料的，是多种一材料的，是多种材料组成的东西。材料组成的东西。如何将如何将管道、电路管道、电路以及以及各种材质各种材质打印打印成成有机的整体，有机的整体，将将是巨大的挑战是巨大的挑战。C对于建筑成型还需要积累研究经验，如何解决悬臂问题、穹顶问题在行业里很难解决。悬臂缺乏支撑体系，就像很难用混凝土