建筑與3D打印

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1、Made by BUT建筑與建筑與3D打印打印3D打印技術在建筑業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀分析Made by BUT013D打印概述02建筑實例03現(xiàn)狀分析目錄1.第三次工業(yè)革命2.3D打印技術的發(fā)展3.3D打印的原理、特點4.3D打印的分類、應用5.建筑裝飾與模型1.“輪廓工藝”2.莫比烏斯環(huán)屋3.月球空間站3.“打印房屋2.0”4.荷蘭“運河屋”5.青浦園區(qū)打印屋6.中世紀城堡1.3D打印建筑的優(yōu)點2.3D打印建筑的不足3.3D打印建筑的技術難題建筑與3D打印Made by BUTPART1. 3D打印概述3D打?。ㄓ⒄Z：3D printing），即快速成形技術的一種，它是一種數(shù)字模型文件為基礎，運用粉

2、末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術。Made by BUT010203第第三三次次工工業(yè)業(yè)革革命命 18世紀60年代，蒸汽機的廣泛使用引發(fā)了第一次工業(yè)革命。 發(fā)電機和電動機的發(fā)明和使用，成為第二次工業(yè)革命的突出標志。2012年4月，英國著名財經(jīng)雜志經(jīng)濟學人報道稱“3D打印將推動第三次工業(yè)革命”。由此，3D打印技術被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術”。？Made by BUT創(chuàng)新觸發(fā)期根據(jù)2013年7月的3D打印技術曲線成熟度（Hype Cycles）報告，技術成熟曲線分為五大階段：創(chuàng)新觸發(fā)期（Innovation Trigger），期望膨脹期（Peak of Inf

3、lated Expectations），泡沫化的谷底期（Trough of Disillusionment），穩(wěn)步爬升的光明期（Slope of Enlightenment），實質(zhì)生產(chǎn)的高峰期（Plateau of productivity）。由圖可知，個人級3D打印技術正處于期望膨脹期，而企業(yè)級3D打印技術已經(jīng)步入穩(wěn)步爬升的光明期。期望膨脹期泡沫化的谷底期穩(wěn)步爬升的光明期實質(zhì)生產(chǎn)的高峰期Made by BUT+ +- -成型原理對比分析3D打印技術（加法）A傳統(tǒng)機械加工（減法）B3D打印技術，學術上又稱“添加制造”技術，也稱增材制造或增量制造。3D打印將三維實體變?yōu)槿舾蓚€二維平面，通過對材料

4、處理并逐層疊加進行生產(chǎn)。傳統(tǒng)制造業(yè)通過模具、車銑等機械加工方式對原材料進行定型、切削以最終生產(chǎn)成品3D打印機技術在原理上并不復雜。與傳統(tǒng)制造業(yè)在材料上做減法不同，它奉行的是加法守則。要打印一個東西，你首先要有一張3D立體圖，配套的軟件會把這張圖上的物體進行一系列數(shù)字切片，并將切片信息傳送到打印機，打印噴頭立刻啟動，根據(jù)切片信息，一層層極薄地堆疊出立體物件。3D打印的原理Made by BUT0101數(shù)字制造借助CAD等軟件將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)字化，驅(qū)動機器設備加工制造成器件：數(shù)字化文件還可借助網(wǎng)絡進行傳遞，實現(xiàn)異地分散化制造的生產(chǎn)模式。0202降維制造即把三維結(jié)構(gòu)的物體先分解成二維層狀結(jié)構(gòu)，逐層累加形

5、成三維物品。因此，原理上3D打印技術可以制造出任何復雜的結(jié)構(gòu)，而且制造過程更柔性化。0303堆積制造“從下而上”的堆積方式對于實現(xiàn)非勻致材料、功能梯度的器件更有優(yōu)勢。0 04 4直接制造任何高性能難成型的部件均可通過“打印”方式一次性直接制造出來，不需要通過組裝拼接等復雜過程來實現(xiàn)。0 05 5快速制造3D打印制造工藝流程短、全自動、可實現(xiàn)現(xiàn)場制造，因此，制造更快速、更高效。3D打印的特點Made by BUT3D打印機分為民用級（個人級），工業(yè)級（企業(yè)級，專業(yè)級，生產(chǎn)級） 只能打印單色物體，同一臺打印機不能更換耗材 價格：最便宜的幾千幾萬元不等（有國產(chǎn)和進口區(qū)分） 材料范圍：尼龍，塑料，樹脂

6、等少數(shù)可塑性材料 打印速度：手掌大模型需打印幾十分鐘幾個小時（根據(jù)模型復雜程度） 打印機體積：普通桌面可放置 操作難度：操作簡單，需三維設計人員操作民用級3D打印機 可以直接打印混合彩色物體 價格：上百萬元 材料范圍：金屬，陶瓷，塑料等常見材料 打印速度：可高速批量打印 打印機體積：體積較大 操作難度：操作復雜，需培訓專業(yè)人員操作工業(yè)級3D打印機眼下3D打印機有兩種類型，一種是堆疊法，一種是燒結(jié)。原理基本都是多層分片打印，而堆疊和燒結(jié)只是成型技術的區(qū)別。堆疊只能成型塑料、硅之類的材質(zhì)，對固化反應速度有要求，而燒結(jié)可以利用激光的高溫對金屬粉末進行處理加工出金屬材質(zhì)的東西出來，實體可通過打磨、鉆孔

7、、電鍍等方式進一步加工。3D打印機的分類Made by BUT航空航天汽車制造3D打印的應用醫(yī)療牙科電子產(chǎn)品科研教育脫蠟鑄造建筑零部件產(chǎn)品造型服裝鞋帽玩具模型珠寶首飾食品電影Made by BUT3D打印與建筑由下表可知，3D打印在建筑業(yè)的應用尚未形成規(guī)模。而在現(xiàn)實生活中，3D打印主要應用于建筑裝飾以及建筑模型的制作，3D打印實體建筑尚處于試驗性階段。8.69.611.714.717.524.12.54.86.5銷售額學術機構(gòu)學術機構(gòu)航空航天航空航天 工業(yè)工業(yè)/商業(yè)機器商業(yè)機器 醫(yī)療醫(yī)療/牙科牙科 汽車產(chǎn)業(yè)汽車產(chǎn)業(yè) 消費品消費品/電子品電子品其他其他建筑建筑政府政府/軍隊軍隊Made by B

8、UT應用現(xiàn)狀建筑裝飾建筑模型目前，3D打印在建筑裝飾上已經(jīng)比較成熟，個性化的裝飾部件已經(jīng)成功應用于水立方、上海世博會大會堂、國家大劇院、廣州歌劇院、東方藝術中心、鳳凰國際傳媒中心、海南國際會展中心、三亞鳳凰島等成百上千個建筑項目。在建筑業(yè)，設計師們使用3D打印機打印建筑模型，這種方法快速、低成本、環(huán)保，同時制作精美。3D打印模型是建筑創(chuàng)意實現(xiàn)可視化與無障礙溝通最好方法。完全符合設計者的要求，切有節(jié)省大量的材料和時間。Made by BUTPART2. 建筑實例按照發(fā)展順序，詳述了國內(nèi)外3D打印實體建筑的案例，主要包括“輪廓工藝”、莫比烏斯環(huán)屋、月球基地、“打印房屋2.0”、荷蘭“運河屋”、青浦

9、園區(qū)打印屋（中國上海）、中世紀城堡。Made by BUT2012年，由美國航天局（NASA）出資，美國南加州大學工業(yè)與系統(tǒng)工程系的比洛克霍什內(nèi)維斯（Behrokh Khoshnevis）教授做了一個3D打印技術應用在建筑領域的電腦模擬展示，運用“輪廓工藝”系統(tǒng)在不到20小時的時間內(nèi)能夠建造一幢面積2500平方英尺的建筑。比洛克霍什內(nèi)維斯教授說，“輪廓工藝”打印出來的墻壁是空心的，雖然質(zhì)量更輕，但它們的強度系數(shù)比傳統(tǒng)房屋更高，而且節(jié)省了20%-25%的資金、25%-30%的材料和45%55%的人工，他表示做這項研究的最初目的只是想給窮人們又快又好地蓋房子。他的這項技術創(chuàng)新早在2006年就被美國

10、發(fā)明家名人堂和現(xiàn)代奇跡欄目評為年度最佳發(fā)明。但遺憾的是，這項發(fā)明卻一直沒能走出實驗室?！拜喞に嚒盡ade by BUT“Landscape House”莫比烏斯環(huán)屋荷蘭建筑師簡加普魯基森納斯Janjaap Ruijssenaars，來自荷蘭的宇宙建筑公司。2013年1月，他表示他們希望能用3D打印技術建造一棟景觀建筑，名為“Landscape House”。他們將沙子和黏合劑“打印”成若干個模塊，并對其進行組裝，最終的成品建筑會采用單流設計，運用創(chuàng)新的3D打印技術進行打造，由上下兩層構(gòu)成莫比烏斯環(huán)屋。工程預計能在2014年完工。他的3D打印建筑項目是Europan競賽的參賽部分，該競賽允許超

11、過15個國家的建筑師在兩年的時間內(nèi)建造建筑以參與評獎。Made by BUT項目背景：項目背景：Foster + Partners事務所與歐洲航天局european space agency合作用月球上現(xiàn)有的材料建造3D打印建筑。項目概況：項目概況：利用現(xiàn)有的建造技術，配合三維打印，在未來幾年里，人類在月球上建造建筑物將成為可能。通過發(fā)明一種能承重的“懸鏈線”形拱頂和蜂窩結(jié)構(gòu)墻體，使建筑內(nèi)部能抵御月球上的微流星體和太空輻射的損傷，foster + partners事務所還設計了一種增壓充氣配件來保護建筑內(nèi)的宇航員。這種空心封閉氣泡結(jié)構(gòu)讓人聯(lián)想到鳥類的骨骼很好地結(jié)合了建筑的強度和重量。速度：速度

12、：現(xiàn)有3D打印機的速度是每小時2m左右 墨水：墨水：用于打印的結(jié)構(gòu)“墨水”是一種鹽材料 一個在建設中的多穹狀月球基地，機器人正在建造右側(cè)兩個穹頂工作中的D-Shape型3D打印機，在月球上使用的打印機會更靈活月球空間站Made by BUT建筑模型實例Made by BUT荷蘭阿姆斯特丹正在建造世界上第一座3D打印房屋。這座房屋名為“運河屋”，由荷蘭DUS建筑師事務所設計，共有13個房間，所采用的特大型3D打印機被稱之為“KamerMaker”（意為“房屋建造者”）。工作時，KamerMaker逐層打印熔塑層，凝固后形成塑料塊。在此之后，建筑工人像玩樂高玩具一樣建造運河屋。目前，運河屋已經(jīng)在阿

13、姆斯特丹北部地區(qū)動工，預計3年后竣工。荷蘭“運河屋”夜色下的運河屋迷你版KamerMakerDUS建筑師事務所的漢斯-沃梅倫表示：“3D打印的運河屋是一個獨特的建筑項目，因為這一項目集施工現(xiàn)場、博物館和研究設施于一身。從3D打印機打印出第一個構(gòu)造組件的那一刻起，我們便開始了數(shù)字制造技術用于建筑業(yè)可能性的探索之旅?！边\河屋草圖運河屋博物館運河屋的迷你模型Made by BUT青浦園區(qū)打印屋號稱“全球首批3D打印實用建筑”的房屋近日亮相上海青浦?！皩⒔ㄖ儚U為寶，讓建筑工人做更體面的工作，讓建筑成本降低50%，讓更多人住得起房子，房型家具私人定制，讓水更清天更藍”其研發(fā)者馬義和近日也被冠上“全

14、國3D打印第一人”的名號。2014年8月25日，10幢3D打印建筑在上海張江高新青浦園區(qū)內(nèi)交付使用，作為當?shù)貏舆w工程的辦公用房。這些“打印”出來的建筑墻體是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，按照電腦設計的圖紙和方案，經(jīng)一臺大型的3D打印機層層疊加噴繪而成，10幢小屋的建筑過程僅花費24小時。2014年1月，首批3D打印建筑亮相上海青浦，引發(fā)國內(nèi)外多方關注。這10幢有著方便面式外表紋理的房子，是由一臺高6.6米、寬10米、長32米（展開150米）的3D打印機在24小時內(nèi)打印出來的，平均造價僅為兩三萬元。走進一個3D打印的房間：設計的多樣性可以讓門窗等位置在“打印”過程中就預留出來，并且根據(jù)需要安裝預

15、埋件。與眾不同的墻體，也并非鋼筋水泥澆筑，而是用一種特殊的“油墨”，根據(jù)電腦設計圖紙和方案，在現(xiàn)場層層疊加“噴繪”而成。Made by BUTMade by BUT建筑裝飾實例：北京草莓大廈Made by BUT據(jù)外媒據(jù)外媒20142014年年9 9月月1515日報道，日前，日報道，日前，美國明尼蘇達州一名工程師安德烈美國明尼蘇達州一名工程師安德烈 盧金盧金科科(Andrey Rudenko)(Andrey Rudenko)及其團隊用及其團隊用3D3D打印機打印機在自家的后院打印出一座中世紀城堡。據(jù)在自家的后院打印出一座中世紀城堡。據(jù)稱該城堡是迄今為止最大的稱該城堡是迄今為止最大的3D3D打印

16、建筑之打印建筑之一，也是世界上首個一，也是世界上首個3D3D打印的混凝土城堡。打印的混凝土城堡。該城堡采用混凝土材料，占地面積為該城堡采用混凝土材料，占地面積為1515平方米，雖然城堡大小只能容人站在里平方米，雖然城堡大小只能容人站在里邊，但這無疑是邊，但這無疑是3D3D打印技術的一個分水嶺。打印技術的一個分水嶺。盧金科及其團隊用了一年有余的時間專門盧金科及其團隊用了一年有余的時間專門研制了混凝土打印材料，盧金科稱這種材研制了混凝土打印材料，盧金科稱這種材料可以建造比較堅固的住宅。整體的外墻料可以建造比較堅固的住宅。整體的外墻以及三個塔頂，采用分別制作，最后搭建以及三個塔頂，采用分別制作，最后

17、搭建組裝成為獨立且一體的城堡。據(jù)工程師本組裝成為獨立且一體的城堡。據(jù)工程師本人介紹，這項新技術不僅可以無限量打印人介紹，這項新技術不僅可以無限量打印古典裝飾，還可以創(chuàng)造全新的形狀、元素，古典裝飾，還可以創(chuàng)造全新的形狀、元素，并且有效的降低了成本，解決了技術難題。并且有效的降低了成本，解決了技術難題。中世紀城堡中世紀城堡Made by BUT打印 細節(jié)Made by BUTPART3. 現(xiàn)狀分析分析了3D打印實體建筑的現(xiàn)狀優(yōu)缺點，列舉了3D打印建筑的近期項目，預示著3D打印建筑的巨大潛力。Made by BUT02保溫01油墨03整體性青浦打印屋的“油墨”以高標號水泥和玻璃纖維為主，依靠打印機設

18、備以連續(xù)線性擠出方式“打印”而成，與傳統(tǒng)建筑無異，甚至比傳統(tǒng)鋼混建筑強度更高。預留“梁”和“柱”澆筑的空間，預留門窗洞口，一次性解決墻體的承重結(jié)構(gòu)問題。更能夠打印出各種造型的房屋外立面。04環(huán)保空心墻體不但大大減輕了建筑本身的重量，更便于建筑商在其空空的“腹中”填充保溫材料，讓墻體成為整體性自保溫墻體。盈創(chuàng)公司3D打印建筑“油墨”的另一個核心就是建筑垃圾再利用，包括工業(yè)垃圾、尾礦等。讓建筑垃圾回到建筑中，讓新建建筑不再產(chǎn)生建筑垃圾。3D打印的優(yōu)點以青浦園區(qū)打印屋為例Made by BUT01材料安全02材料性能03結(jié)構(gòu)安全04使用壽命盈創(chuàng)科技3D打印的“油墨”構(gòu)成主要是高標號水泥和玻璃纖維，而

19、某些國家禁止建筑大量使用玻璃纖維，因為玻璃纖維會影響人體呼吸系統(tǒng)。. 關于3D打印的標準尚未出現(xiàn)，其材料的防火性能、隔音性能、環(huán)保性能有待考證。高強度水泥未來的回收問題如何解決。地基是否夠扎實？如果要建幾十層的高樓，房屋的結(jié)構(gòu)、材料的堅固性、抗壓性、堅固性、抗震性都有待檢驗。目前打印的房屋最多只能作為臨時建筑或是救災用房 ，而青浦項目的負責人表示，打印出來的房屋理論上生命周期長達30年至50年，但尚待驗證。3D打印建筑的不足Made by BUTA設備為了實現(xiàn)大體量建筑物的設計和生產(chǎn)，必須要開發(fā)出專用的打印設備。這種大型的數(shù)控機床，它的設計、制造及其工藝對于3D打印業(yè)界來說是很大的挑戰(zhàn)。機器越

20、大越難制造，更重要的是機器越大，打印精度和打印速度就會越差。B首先是材料本身固化性能的問題。油墨是液態(tài)的、自凝固的。一層的凝結(jié)時間和另一層的粘合時間必須計算地非常準確。其次是材料多樣性問題。建筑不是單一材料的，是多種材料組成的東西。如何將管道、電路以及各種材質(zhì)打印成有機的整體，將是巨大的挑戰(zhàn)。C對于建筑成型還需要積累研究經(jīng)驗，如何解決懸臂問題、穹頂問題在行業(yè)里很難解決。懸臂缺乏支撐體系，就像很難用混凝土的方式做懸挑或者直接做天花板一樣。此外，一些異型建筑也會面臨結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)。3D打印建筑的技術難題成型材料Made by BUT打印材料的限制打印材料的限制。3D打印機使用的是真實的金屬、陶瓷

21、、塑料、尼龍玻纖等材料，雖然可以實現(xiàn)塑料、某些金屬或者陶瓷打印，但打印的材料都是比較昂貴和稀缺的。另外，打印機也還沒有達到成熟的水平，無法支持日常生活中所接觸到的各種各樣的材料。雖然研究者們在一些打印材料上已經(jīng)取得了一定的進展，但除非這些進展達到成熟并有效，否則材料依然會是3D 打印的一大障礙。打印機器的限制打印機器的限制。3D打印技術在重建物體的幾何形狀和機能上已經(jīng)獲得了一定的水平，幾乎任何靜態(tài)的形狀都可以被打印出來，但是那些運動的物體和它們的清晰度就難以實現(xiàn)了。但最基本的困難在于尺寸。2維打印大家都常用，一個最根本的常識就是，輸出尺寸越大，打印機本身就越大，那么打印機的噴頭活動范圍要能夠覆

22、蓋全幅的輸出尺寸，那么必然會大一圈。在3維打印領域，這意味著：如果打印住宅則打印機需要比你的住宅大一圈。機器越大越難制造，更重要的是機器越大，打印精度和打印速度就會越差。所以現(xiàn)階段解決3d打印房屋的一些基本問題：材料，控制，精度等。3D3D打印建筑的安全問題打印建筑的安全問題。一方面，3D打印技術能否把房屋的梁體、墻體和柱體做到和傳統(tǒng)行業(yè)一樣堅固，還有待檢驗。另一方面，建筑的抗震性?，F(xiàn)在一般使用超輕的全新材料，打印的房子自重會小于傳統(tǒng)房屋，抗震性也就更好，但如果打印房的自重大于普通房屋，抗震性的問題就值得考慮了。再一方面，建筑的耐撞擊性，不管怎樣由于材料的關系，打印的建筑的耐撞擊性可能不如傳統(tǒng)房屋。國家尚未對3D打印建筑出臺相關標準，這使得3D打印房的安全性、抗震性等性能無法得到檢驗。Made by BUT謝謝觀賞Thank you!