3D打印建筑迎来交付元年｜PropTech深度
地球首富马斯克已经搬进了3D打印住宅。 |
文 | 宋虹姗
来源 | 未来可栖（ID：hifuturecity）
“按照每天工作8小时计算，一台3D打印机设备每天可以打出32平方米墙体，按照这样的效率，打印一套一层高建筑面积100平方米的住宅，需要8天。”
这是一台3D打印设备的“工作效率”，盈创建筑科技（上海）有限公司（以下简称“盈创”）日本事业部经理左磊如是告诉36氪。
2022年12月，开展3D打印球体住宅业务的日本初创公司Serendix宣布，2023年将着手开发建筑面积为100平方米的住宅，而技术提供方就是来自中国的盈创。Serendix在2022年接受了盈创的3D打印建筑技术出资。即将开发的100平方米的住宅，将采用盈创的大型打印机设备打印完成。
近年来，随着技术不断成熟，3D打印的应用场景越来越多，出现了“万物皆可打印”的趋势。2022年10月的巴黎时装周上，国际超模贝拉-哈迪德（Bella Hadid）在Coperni品牌的秀场作为压轴嘉宾，在短短几分钟内展示了一条礼服裙是如何通过3D打印技术喷绘完成的。这条现场喷绘而成的裙子是品牌与高科技材料公司Fabrican耗时六个月的合作成果。
在住宅和公共建筑领域，3D打印技术已经逐渐渗透到人们生活中的更多空间。前不久，清华大学徐卫国教授团队为70后乡村夫妇打印了一栋3D住宅的新闻登上热搜，全程仅用160小时，成本约20万。国内外3D打印建筑技术提供方均表示，这些3D打印住宅与传统钢筋混凝土住宅的寿命几乎无异。
3D打印房屋交付潮
2021年6月，特斯拉CEO马斯克在推特宣布：卖掉所有房产，住进“集装箱公寓”，一栋价值4.95万美元、只有36平方米的小房子。
马斯克住进的是“附属住宅单元”（ADU），在“出厂”之前，ADU就已经是一栋标准住宅，家居、厨卫样样俱全，就连空调、暖气、USB充电口的位置，都会为住客预留出来，在售价上主打性价比。
为马斯克“盖房”的公司是Boxabl，有媒体指出，马斯克突然为ADU“带货”，是在为开发火星住宅做准备。在马斯克购买之前，Boxabl一共卖出了三套房，在“网红效应”带动下，Boxabl官网报名买房的人已经排了五万号，而Boxabl的年产量是3000套。
据了解，Boxabl的产品可批量生产、安装快捷方便，又能灵活拆卸和搬运，很适合作为火星居民的基地。与ADU的功能类似，3D打印房屋也具备相似特点且应用场景更广泛，在美国，这一赛道的代表公司之一，是来自加利福尼亚州的Mighty Buildings。
在“火星移民热”阶段，Mighty Buildings在2021年共拿到两轮融资，融资总额达到1亿美元。该公司的技术优势之一是可以精确计算所需建材的数量，从而几乎不产生建筑垃圾。同年，Mighty Buildings还与房地产开发商Palari Group合作，在一块5英亩土地上打印15栋住宅，以59.5万-95万美元不等的价格进行销售。这些房子将采用质感较好的外石墙，并设计宽大的落地窗，同时，开发商还规划了带有游泳池、户外淋浴等设施的公共空间。
2022年底，MightyBuildings交付出第一栋净零能源住宅，位于加利福尼亚州兰乔米拉奇（Rancho Mirage）。这座两室两厅的独栋住宅配置了太阳能、风能等清洁能源，可以实现自给自足，60%的墙壁材料也由回收材料组成，且热传导率更低，使房屋具有更好的隔热和保温性能。
和建造更高品质住房的“路线”不同，美国另外一家3D打印建筑技术公司ICON选择与墨西哥的社会住房公司Échale合作，在墨西哥的纳卡茹卡地区，为当地一些挣扎在温饱边缘的贫困家庭提供租金低廉、设计美观、功能齐全的社区。纳卡茹卡地区位于地震带，这些3D打印住宅能够承受7.4级地震。
在陆续交付这些建筑的过程中，ICON还宣布，公司即将推出的项目涵盖了从社会保障房、救灾房到适合长期居住和使用的住宅，甚至还与美国国家航空航天局（NASA）展开了太空建筑系统的合作。
据外媒ArchDaily报道，NASA与ICON签订一份持续至2028年的合作，ICON的Olympus建造系统，将帮助在月球表面和火星上建造基础设施，如着陆垫、栖息地、太空舱和道路，同时支持阿耳忒弥斯登月计划（美国国家航空航天局的登月项目）。ICON打印了一个约158平方米的模拟火星栖息地，将在CHAPEA任务期间使用，CHAPEA是一项在NASA约翰逊航天中心执行的为期一年的模拟任务，任务于2023年开始。
在中国，首例有居民入住的3D打印建筑出自清华大学徐卫国教授及团队，位于河北乡武家庄，建筑面积106平方米，使用“机器人3D打印混凝土技术”。与农村自建房的外观不同，该栋房屋采用拱形房顶、灰色墙体，使其比较突出。打印全程耗时160个小时，造价大约为20万，相当于每平方米的建造成本区间为2000-2500元。据了解，这个价格水平高于目前乡村地区的自建房。
中国3D打印出海
盈创日本事业部总经理左磊对36氪表示，日本建筑行业已面临用工荒的困境，加之自建房的成本较高，是比较适合发展3D打印建筑的国家。盈创与Serendix的合作模式，是盈创以价值1亿日元（约510万人民币）的设备和技术入股，相当于持有5%的Serendix的股份。
2022年，Serendix从盈创购买一座3D打印球体住宅，将其展示至日本高岛屋百货商场，房屋建筑面积为10平方米，打印耗时不到24小时。左磊告诉36氪，该款住宅于1月1日以抽签的方式对外售卖，预定库存仅1套，售价330万日元（约17万人民币），盈创已于近日完成交付。
Serendix将在2023年推出另一个3D打印“豪华版”住宅，面积为49平方米，提供设备的是荷兰TAM公司，除提供电力、水和煤气外，还会配备卫生间，方便拎包入住，公司的目标是“像买车一样买房，让每个人都能从抵押贷款中解脱出来。”
除此之外，Serendix也将着手开发建筑面积为100平方米的住宅，因为面积较大，Serendix将在这一系列住宅引入盈创的大型打印机。2022年11月，盈创首次推出最新研发成功的可移动的大型悬臂式3D打印机，长12米，高12米，臂展12米。新设备的投入与使用，将提升3D打印建筑的面积和高度。
左磊对36氪表示，100平方米的3D打印住宅，实际需要打印的墙体面积是250平方米，一台3D打印机设备每天可以打出32平方米墙体面积，再以每天8小时工作时长计算，打印一栋一层高、建筑面积为100平方米的住宅需要8天。如果确定成规模开发100平方米的3D打印住宅社区，还需要盈创从上海再运送几套设备到日本。
实际上，早在2015年，盈创就打印出了全球首栋6层楼建筑，位于盈创苏州厂区。该房屋以每天打印一层，每两天安装一层的建造方式，耗时半个月完成，突破了3D打印技术不能打印高层楼宇的难题。该栋楼接受了同济大学房屋安全性、质量等方面的检测，检测报告显示，它符合国家建筑标准。同期，盈创还采用内外装饰一体化打印的方式，在苏州打印了全球首幢3D打印别墅，层高3层、面积为1100平方米。
不过，徐卫国教授在武家庄的3D打印住宅问世之前，国内还没有3D打印建筑用于实际居住。盈创的3D打印住宅类房屋目前处于对外展示的状态。2022年底，南京嘉翼、上海建工集团、东南大学联合打造出一栋符合居住标准的住宅，但建成后用于南京市灵岩社区卫生服务中心的院史展览馆，而非居住。
为什么国内没有实现3D打印住宅的民用或商用普及？盈创公司相关负责人从市场、技术发展等方面解释了原因。
首先，目前国内关于3D打印住宅的规范和标准还没建立起来，相较国外宽松的建筑验收规范和标准，国内对3D打印住宅以传统建筑标准进行验收，增加了3D打印建筑技术使用难度，限制了3D打印建筑的推广，进而导致国内对3D打印建筑接受程度没有国外高。如别墅和六层楼的3D打印住宅，因体量大，结构复杂，导致其在国内的验收更加困难。盈创于2017年开启3D打印建筑标准制定工作，2019年与上海建筑科学研究院推出了3D打印建筑油墨和墙体以及部分建筑构件的企业标准。
截至目前，盈创3D打印建筑技术多用于高速公路建设、航道建设、艺术建筑装置等市政领域。
其次，技术发展需要，2022年之前，3D打印建筑大部分流程是工厂打印，运输后现场拼装完成，这意味着3D打印房屋的落地将受限于工厂与房屋建造地的距离，这也是盈创在国内的产品大多数落地长三角的原因。鉴于此，盈创最新研发的车载悬臂3D打印机已经开启现场打印，突破了这一限制，例如，日本SERENDIX合作生产的3D打印住宅就将在当地完成。
盈创在2016年为迪拜打印了全球首个办公用房，通过跨洋运输的方式抵达国外，此后陆续开启了沙特、阿曼、日本、澳大利亚、美国的试运营，前期只有花坛等建筑构件出口。随着3D打印设备的研发和生产，盈创已通过技术输出与上述国家的企业达成合作，将3D打印设备运到国外，准备试打印。
使用耐久性挑战
国内目前掌握3D打印技术的建造企业，还将技术应用到了建筑领域的艺术装置上。
2023年元旦，规划十年的上海徐家汇书院亮相，其一楼中庭处，是上海一造科技有限公司完成的3D打印艺术装置“光启之门”。该装置基于土山湾中国牌楼的形象进行艺术化再造，一造科技选用大尺度改性塑料3D空间打印工艺，通过网格疏密变化将原始牌楼的空间形制和比例呈现，打印出不同的空间单元4万余个，打印路径长达17000米，消耗材料1.8吨。
2020年，一造科技还参与了南京欢乐谷大门的设计建造过程，结合参数化设计、改性塑料3D打印技术，完成高维度的几何建造体。对于这类建筑装置，传统建造工艺的实施成本巨大，不仅需要大量模具，对工人的施工技术也有极高考验。
虽然3D打印技术在异形建筑体的构建上，可以适当降低建筑难度和造价成本，但是在结构增强设计层面，还需论证研究，3D打印技术还有很多“卡脖子”难点。
一位主攻结构工程的博士与36氪分享称，关于3D打印住宅的普及推广问题，相关规范的欠缺也是原因之一，目前没有一套人工的标准可以衡量房屋的安全性。
面对这一欠缺，业内人士透露，学术界、技术企业都在积极推进国家和国际3D建筑标准制定。
浙江大学建筑工程学院于2021年出版的研究报告显示，混凝土3D打印能够实现空间自由设计、制造复杂几何造型的新兴智能建造技术。该技术不仅可提高建筑材料利用率、缩短建造周期、减少碳排放量和劳动力成本，还可显著提升设计的数字化智能化水平和建造施工的装配化精细化程度与传统施工方式相比，混凝土3D打印技术可减少30%—60%的建筑垃圾，50%—80%的人工成本和50%—70%的生产时间。
虽然现阶段3D打印混凝土材料可满足工作性能的技术要求，但其抗拉强度低和脆性破坏的材料缺陷阻碍了其在建筑工程中的应用和发展。而且无筋空间建造也难以满足现代工业和民用建筑的服役和使用要求。由于传统结构增强方式难以与3D打印工艺相融合，探求与混凝土3D打印相协调的增强方式尤为重要。
还是以盈创与Serendix合作的3D打印火星移民屋为例，如果完成房屋设计师设计的倾斜度墙体，在打印过程中不出现坍塌、陷落等状况，是个巨大挑战。盈创解决方案的关键，在于特殊材料——盈创3D打印“油墨”。这是一种经过特殊玻璃纤维强化处理的混凝土材料，其强度和使用年限高于钢筋混凝土，同时具有速干的性能，也就是说，在设备泵送挤出、逐层打印的过程中，这种材料在挤出后会很快凝固，能够保证打印机连续打印。
这也代表着，除了3D打印机设备，3D打印材料是基于挤压的生产技术的核心。据了解，这些原材料来自传统建筑行业、建筑固废行业。前述结构工程专业博士表示，土木工程的创新，基本就是在材料创新的基础上去推进的，只有材料可以达到一些特定的需求性能，结构才能有创新。
盈创相关负责人也表示，3D打印建筑材料是生产的关键，现在全球已经有很多企业可以生产3D打印机，但可以打印出房子的还是少数，盈创的3D打印油墨原料可以吸纳多种材料，比如建筑再生的石料等；盈创的优势是3D打印建筑技术（包括设备和建筑材料的研发），而市场开发，盈创更希望与传统建筑行业或者固废行业的企业合作，这些企业在市场和销售渠道上有很大优势，盈创负责技术，市场和营销可以交给他们，从而形成合力，推进3D打印建筑的运用与发展。
浙大研究报告显示，通过掺入纤维的方式对打印混凝土进行增强与增韧还不算是完美的解决办法，这种方式可提高打印混凝土的力学性能，但纤维的非连续分布对结构整体受力和抗震性能不利。
与此同时，其他方法例如“打印后增强”“打印混凝土同时布置筋、线、缆予以同步增强”都有各自缺点，因此，这一领域亟待建立新的设计分析理论以保障安全服役。
此前，仲量联行负责建筑技术研究的Henry D’esposito认为，独栋住宅是测试3D打印建筑耐久性很好的方式，因为它们体积小、高度低且设计构造相似。
Henry D’esposito认为这项技术不适用于商业地产，“我们不知道这些建筑在未来几十年的表现如何，也不知道它们的长期价值能保持多少。如果你正在考虑投资相关项目，应当充分认识到这些潜在风险。”
毕竟，世界上已经存在很多保存60年以上的钢筋混凝土建筑，但还没有一座建成60年以上的3D打印建筑。
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