南京江北新区市民中心整体图。 （图片由受访者提供）
南京江北新区市民中心3D打印游客服务中心实景图。 （图片由受访者提供）
高达10层的灵动流线曲面造型，通过固废处置再利用制成的圆形外立面，虚拟与现实耦合工程管理系统的智能建造技术——在南京江北新区市民中心游客服务中心，记者被眼前的这座现代化建筑所震撼。作为全国首例3D打印全装配式绿色智慧建筑，这里不久前斩获中国建筑行业工程质量最高荣誉奖鲁班奖。一系列“硬核”科技加持的背后，3D打印技术无疑是最惊艳的一笔。
正如20世纪初，钢筋混凝土技术对建筑学产生深远影响，当下3D打印技术也正重塑建筑新业态。4月20日—29日，“增材建造与材料运算”国际学术研讨会在线举行，中外多所高校学者围绕3D打印技术展开讨论。这项技术如何改变传统建造模式？普通材料如何“变身”成为3D打印可用的“超材料”？《科技周刊》记者采访相关专家，为大家揭秘。
免模板 无废料
轻松打造自由曲面
将预先设计好的3D数字建筑模型“输入”3D打印机器人系统，由机械臂一层层“挤出”特制的“油墨”——建筑材料，逐层堆积并黏合为建筑实体。3D打印建筑诞生的过程并不难理解，但实际上，从减材制造转变为增材制造，模式上“质的飞跃”是建筑数字化转型的关键所在。
“传统的减材制造是在原料基础上将不需要的部分去除，保留需要的部分，就好像我们量体裁衣，在不断修剪布料后最终缝制成合适的衣服；而以3D打印技术为代表的增材制造技术则是在建造过程中逐步将材料累加，最终形成所需要的物品。这种逐层堆积的特性意味着制作全程没有废料，完全贴合需求。”南京绿色增材智造研究院院长、东南大学材料科学与工程学院教授张亚梅向记者介绍，由于免模板、设计自由、节约材料、缩短工期、少人工等优点，3D打印技术近年来颇受建筑业人士关注。“立模、配筋、现浇、拆除模板的传统建造方式过程复杂，开模和人工成本高，而使用3D打印技术则无需制作模板，且采用智能化控制工艺，工期可缩短约30%—80%。”
迪拜未来基金会（DFF）创造的世界首个3D打印商业大楼高6米，长36.5米，宽约12.1米，而这个拥有未来主义外表的办公楼其实只用了一台3D打印机，打印时间仅耗费17天，安装仅耗时2天，需要的人力比传统建筑节省50%，所产生的建筑垃圾也减少了60%。
无需模板，意味着建筑形状不受限制，3D打印技术下的设计自由度更高。在上海宝山智慧湾科技园内，由清华大学建筑学院徐卫国教授团队设计并建造的3D打印书屋去年刚刚启用。这座曲面形体的书屋采用空心墙体设计，建筑表面的两种独特肌理交相辉映，让人仿若置身科幻大片之中；以莫比乌斯环为原型，荷兰一家建筑事务所利用3D打印技术创造了一间“没有起点也没有终点”的莫比乌斯屋。带状的空间中，天花板与地板相互轮换，给人奇妙的视觉体验。
“基于力学结构的运算和3D数字建模，就可以通过3D打印技术在现实中1:1还原。”东南大学建筑学院副教授华好表示，在建筑设计中，考虑到曲面模板难度大、复杂程度高等多种原因，不规则的自由曲线造型常常让很多设计师望而却步，而借助无需模板、全自动化操作的3D打印技术，让许多传统方式无法制成的复杂造型得以实现，赋予了建筑空间无限可能。
拓扑优化 塑造未知
建筑“超材料”应运而生
在荷兰阿姆斯特丹的一个废弃工业区中，一间由3D打印技术建造而成的8平方米城市小屋吸引了不少路人的注意。独特的几何外立面由可降解黑色生物材料打印制成，为小屋带来了足够的绝缘保温效果和极低材料消耗；几何墙板内部的独特蜂窝塑料结构，既为墙壁“减了负”，也为小屋提供稳定支撑。目光转向江苏南京，2020年11月，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正式投入使用。基于计算性几何的多维双曲面在多孔性穿透下得到无限扩展，跨度长达30米的异形不规则悬挑不仅展现了设计难度，更展现了建造精度。
物理现实和数字世界之间的联系日益紧密，数字化设计与建造所涉及的规模与复杂度均在增加，使当今的软件工具和生产设备也变得日益复杂。设计、制造和建筑之间的信息回路变得至关重要，支撑设计的数据结构正迅速成为建筑研究和设计的核心部分。在3D打印制造模式中，材料本身不再是客观的先决条件，而是一个有待被塑造的积极因素。
“现有的增材建造技术体系依然受制于传统工艺与传统材料，普通材料的3D打印往往难以保证建筑结构的最优性能，也使得3D打印建筑的独特优势无法充分彰显。”华好向记者解释，得益于3D打印技术与优化算法的结合，人们如今完全有能力通过改造材料性能，在微观层面对普通材料进行性能重塑，从而创造一批建筑领域的“超材料”，其中一项关键的运算化设计技术为“拓扑优化”。
在拓扑优化后，材料的热胀冷缩属性可以被转变为热缩冷胀；使用的打印原料是厚重的金属，但生成的墙体却可以像羽毛一样轻盈。2017年，“云亭”亮相于上海城市空间艺术季临港联合展开幕仪式，这座复杂曲面造型的抽象空间正是通过拓扑优化实现。“云亭”以加入特殊纤维的热塑性高分子材料为3D打印原料，使其兼具强度高、韧性好、易加工等优势。“建筑物要坚固，这是建筑设计的基本需求，但在3D打印技术的助推下，牢固不一定非要依靠钢材、混凝土，数字化制造的建筑材料也可以又轻又硬。”华好说。
更绿色 更智能
让更多人有房可住
今年年初，住建部发布《“十四五”建筑业发展规划》，其中明确提出，要加快智能建造与新型建筑工业化协同发展。大力推进3D打印建筑，实际上也是智能建造中的重要一环。
历经几十载的飞速发展，3D打印技术已经一步步融入医疗、生物、设计等各领域，而在建筑领域，3D打印建筑才刚刚起步。大胆畅想，未来3D打印建筑的墙面或许可以像生物的毛孔一样，当环境温度较高时，它可以通过微观尺寸的空洞进行通风；而当环境温度较低时，这些极其微小的“窗户”便会自动密封。“届时，人造材料也可以模仿自然界的材料，在传统建造模式下无法想象的仿生结构，也许可以成为现实。”华好认为，鉴于3D打印建筑的高度定制化，“一幢一样，每户不同”，未来的房屋可以更好地满足每个人个性化的居住需求。
在张亚梅看来，尽管不断有新材料横空出世，但不论是智能建造还是智慧城市，未来3D打印建筑的原料仍将会以混凝土结构为主。因此，如何提升钢筋混凝土结构性能对于3D打印建筑未来发展来说至关重要。
在安徽合肥庐阳文创园内，由建筑废料回收材料3D打印而成的垃圾分类回收站，展示了混凝土与固废相结合的新可能。建筑垃圾经由专用破碎机清洗粉碎后，筛分出合适的颗粒，由实验室通过配比数据和试验，“回炉重造”成为打印原料。“随着城市化进程的加快，建筑固废问题也愈发严重，利用3D打印技术将固废资源化利用，无疑激活了建筑固废的‘第二生命’。”张亚梅说。
目前，全球多家初创公司正在利用3D打印技术，在24小时甚至更短的时间内建造出适合居住的房屋。美国3D打印创业公司ICON和非营利组织New Story合作，为墨西哥农村低收入家庭和生活在恶劣环境中的人们提供负担得起的3D打印住房。借助一台大型3D打印机，该协作团队已经建造了整个3D打印住宅社区，每个房子的建造时间不到24小时，面积为500平方英尺（约合46.5平方米），屋顶、窗户和内部装饰一应俱全。New Story团队表示，我们面临的挑战是巨大的，全球有超过10亿人生活在无瓦遮头的地方。为了降低这个数字，必须要提升规模化能力。
“随着社会老龄化程度加深，建筑工人的数量也持续下降。投入较少的人力，就可以进行建筑的大规模生产，3D打印建筑既解决了建筑工人之‘渴’，也能够帮助更多人有房可住。”张亚梅进一步表示，未来3D打印建筑要想更大规模发展，材料和技术上的发展瓶颈也不容忽视。“例如3D打印技术可以分别打印混凝土和钢筋，却无法同步进行打印。配筋问题没有得到很好的解决，这在一定程度上限制了3D打印建筑的发展。”
