3D打印翻转现代建筑，让房子实现按需打印

文/未来科技观察

1982年，Kodama公司在日本推出了第一台3D打印机，此后，许多想法都成了现实。不过，3D打印虽然已经存在很久了，但并没有成为主流。如今，情况发生了改变，摩尔定律的出现和计算机价格的下降使所有技术的成本都降低了。

当前，3D打印技术己被全方位应用于各个领域，包括建筑产业，并且开始带来了巨大的影响。现阶段的3D打印建筑会在印出3D设计图后组装房子；早期，3D打印建筑使用的主要材料为塑胶，现在则开始用起了混凝土，业界也正在积极研究新材料。并且，如果3D打印技术与智能技术产生协同效应，那人类将能利用这项技术建造更复杂的结构物。

实现更复杂的设计

实际上，建筑也是一门关于数学的学问。

斐波那契数列，又称黄金分割数列，因数学家莱昂纳多·斐波那契以兔子繁殖为例子而引入，故又称为“兔子数列”。斐波那契数列以规律的方式展开，每个数字都是前两个的总和，并以简单的规则生成序列，所以，数列的顺序是1、1、2、3、5、8、13、21……计算机被指定这一规律后，就可以轻松地计算斐波那契数的长数列。

斐波那契数列在自然界中随处可见。树枝就按照这个顺序分叉生长，蕨类植物和洋蓟花的形状，甚至漩涡和海带波动的模式都是如此。贝壳的螺旋线也是斐波那契数列的自然体现，无论外壳的大小是像乒乓球还是像大西瓜，其内部的螺旋曲线往往具有相同的形状。

基于此，如果想要模仿大自然的设计智慧，最有效的办法之一，就是运用数学规律或算法生成形状。尽管计算机生成的三维分形已经诞生了几十年，但是至今，三维分形仍然只存在于虚拟世界中。

而3D打印技术的诞生，则使得复杂抽象的模型有机会实现从虚拟世界走向现实世界这一构想。当前，随着3D打印将数学模型和自然规律从抽象的束缚中解放出来，各种以前无法实现的设计正逐步呈现。利用数据和算法的结合，设计师们可以创造出多种二维和三维的形状和图案，并通过3D打印使其成为实物。

不同于放在桌面或厨房的柜台上的3D打印机，被用来打印房子的3D打印机，将像一辆皮卡车一样巨大，又宽又平。3D打印机设备的一端是电脑，人们通过互联网将设计发送过来；另外一端则用来吐出材料，它们被组装到一起构成房子的前面和侧面。

如今，建筑学家们正在使用传统的设计软件和定制的3D打印机打印水泥房子——只不过，建筑物的3D打印机能够制成迄今为止没办法制成的形状，如改善通气的渠道，特别的建筑特征以及千奇百怪的花样装饰，建筑物3D打印机能够在一个更大的范围内打印奇特而不寻常的物理形状。

斯蒂芬·托德和威廉·莱瑟姆在一本有关计算机图形学的著作《进化艺术和计算机》中解释道：“计算机不会盲目地服从指令，它们只是用来提供建议，从而使艺术家们保留决定最终审美选择的权利。”而下一代的智能设计软件工具就会具备相同的设计效果。

不难想象，在将来的一天里，人们设计的过程将会由智能响应型软件或者“机器人设计师”进行辅助，这将加速实现设计解决方案。如今，计算机算法已经能够提供超出设计师所能想象的更为复杂的设计解决方案。

一方面，未来，连接到3D打印机和数据源的机器人设计师将会改变设计师、艺术家或者建筑师的角色，人们将不再花时间起草和测试可能的设计方案。另一方面，人们将拥有对设计目的、设计约束和设计内容具备较高水准的机器人设计师，而人们只需要定义目标解决方案的参数，并通过3D打印机，使得建筑设计达到一个崭新的创作高度。

3D打印技术和计算机让人们可以从自然系统中汲取养分，并将数学模型应用到设计过程中。设计师休·都百利总结道：“设计不再只关心物体本身，渐渐变成关心系统，而现在是系统的系统，或者说生态系统。从某种意义上说，这些系统都是活的，它们不断成长，共同进化。”

从低成本到按需打印

3D打印建筑除了能实时地响应设计的变化外，还能够获得更好的建筑材料、更有效的计算建模能力以及更强的变速数据分析能力，从而彻底重塑建筑业。

首先，3D打印机能够建造低成本住宅。根据《科技》杂志摩根·佩克的数据，在美国建一座2800平方英尺的标准两层楼房需要花费6周到6个月的时间，成本的一大部分来自于原材料，另外一块成本及困难源自施工过程和施工人员成本。而3D打印建筑将会引进全新的材料，例如使用更厚的水泥和会白行支撑建筑物的合成物的混合材料，以降低施工成本。

在理想的状态下，3D打印的结构能够采用本地可用资源制成，比如沙子或泥土——智能设计软件能够将材料混合。比如， 在大西洋的另一边，意大利比萨斜塔的外面，意大利设计师和建筑师恩里科·迪尼就设计了一个计算机引导的3D打印施工方法，使用沙子和一种无机黏合剂来建造人造砂岩。

恩里科把他的建筑打印机命名为“D型自动化建造系统”。连接到D型打印机上的计算机运行计算机辅助设计软件，可以引导自动化手臂在一片沙床上一点点移动。D型打印机通过许许多多的小打印头将液体黏合剂挤压到沙床上，黏合剂含有催化剂能够快速黏合沙子。反复工作4遍之后，打印层开始凝固，再将新沙子撒到上面，重新校对自动化手臂，在第一层的上面重新涂一层黏合剂。

更重要的是，打印的墙壁凝固需要花费约1天的时间，黏合剂非常牢固，可以替代铁来加工建筑。由D型打印机打印的人造石头能够由任何一种沙子支撑，而且比普通水泥更坚固、便宜。3D打印的砂岩结构比采用传统建筑材料建设更方便快捷。

并且，不同于建筑起重机将钢筋投放到指定位置的方式，一个3D打印的结构是由能适应压力和负荷的建筑材料的定制混合而成的。就像一块不断生长的骨头，当在上面放置重物时，就会变厚，而3D打印则能够随着压力的增加而增厚。

Fabbaloo博客，作为一个关注3D打印的博客网站，其中的一篇文章就谈到：“想象一下，建筑用的大梁在需要坚固的地方坚固，在需要轻巧的地方轻巧，或者在稀疏的部分不用任何材料。造出的每一块都能够根据它的特有目的，应用最少的材料，提供最好的物理强度。”

此前，中国的盈创建筑科有限公司就称能够打印建造房屋所需要的所有部件，然后使用这些部件在一天内组装出一座房子。也许在未来，该公司可以在几分钟内建成一座房子。成品主要是由混凝土与其他材料制成。未来的建筑将极大地拓展这方面的能力——按需打印，这将使劳动力和材料成本降至最低。

总的来说，3D住宅打印的优点远多于现有建筑方式。3D打印住宅的施工成本低，人们不但能大幅节省时间、精力、建材，减少废弃物，还几乎不需要投入劳动成本。由于施工时间短，人们得以迅速供应购房者住屋，建成3D打印住宅，甚至不需要花到一个星期。

在这样的基础上，3D打印机能够应对各种现实挑战。比如，3D打印机能够为流动人口所用，如难民或自然灾害的受害者，帮助他们建造避难场所。

当3D打印机打印3D打印机

当然，3D打印建筑对人类社会更深远的影响，还在于彻底改变人类社会的居住文化——在3D打印重塑建筑业的基础上，3D打印建筑进一步发展的方向，就会是都市计划。比如，中国建筑公司盈创宣布，他们计划用3D打印技术在中国建设100 座工厂，并在未来几年内在20个国家建立工厂。

美国也有望同时建造智慧城市和3D打印城市，洛杉矶就是应用了智慧科技的典型例子。洛杉矶街上的路灯与政府的照明部门无线连结在一起，因此需要修理路灯或变更红绿灯时，政府可以实时掌握情况。

此外。洛杉矶还计划将3D打印建筑技术用于透过数字生态系统无线连结的出租公寓。这些大楼内部将会事先安装能帮助人们的生活变得更便利的前沿技术产品，包括智能型温控装置、声音响应式保全设备、具备环绕声道音效功能的超高画质电视等。

显然，3D打印遇到包括智能技术在内的新兴技术时时，我们还将会迎来一个完整的生态系统，并根据人们的住房需要来提供住宅。当前，人口高龄化正在加速，与年轻人相比，由于老年人的动作比较迟缓，且经常会出于健康原因需要坐轮椅，结构复杂的房子经常会给老年人带来不便，无论是家里有楼梯，还是从玄关到前院的路上有楼梯或门槛，对老年人来说都是种阻碍。

这种时候，就会需要一个没有任何门槛、地板皆以平地相连的房子，而 3D打印技术很容易建造出这样的房子，3D打印技术还能让我们将室内设计成没有房门的开放式结构或走道宽敞的结构，以便移动轮椅或移动式的床，因此与结构复杂的现有房屋相比，3D打印的简约住房从各方面来说都很适合老年人居住。

另外，3D打印带来的智能型和现场型的施工还将对未来军事和太空探索大有益处。科幻小说家布鲁斯·斯特林有一句名言：“就像白蚁在地球上建造城堡一样，机器人也可以在月球上建立起摩天大楼。”基于太空旅行的想法，美国国家航空航天局已经资助了几个探索在外太空建造建筑物的可能办法。或许，在未来某一天，人们就能够通过3D打印建筑在月球和火星上盖房子。

最终，作为建筑业的一种改善，3D打印机将能够建造出生态友好型高密度舒适住宅。与此同时，3D打印技术还将在未来引发多克托罗效应，即3D打印机不仅能够打印复杂的设备、建筑材料等，还能精确复制3D打印机本身，那时人类又将抵达一个新的转折点。当3D打印机可以打印3D打印机时，加上先进的下一代技术，未来的世界将以强有力的、目前的大脑还不能完全理解的方式被彻底改变，并带来无尽的价值。