作者顾玉平段跃初

在科技飞速发展的今天，建筑领域正经历着一场前所未有的变革。曾经，我们眼中的建筑或许只是冰冷的钢筋水泥堆砌而成的空间，但如今，随着纳米技术、生物技术、3D打印等前沿科技逐渐融入建筑行业，一切都在悄然改变。今天，就让我们一同走进建筑工程的奇妙世界，探寻那些令人惊叹的建筑科技。

3D打印：建筑界的“魔法打印机”

在建筑领域，3D打印就像是一台神奇的“魔法打印机”，它打破了传统建筑施工的局限，为我们带来了无限可能。简单来说，3D打印（也称为增材制造）是指逐层打印建筑材料以创建三维形状的过程。3D打印机通过计算机辅助设计 (CAD) 或建筑信息模型 (BIM) 程序接收设计信息，然后将各种建筑材料按照预设的程序层层堆积，最终生产出特定组件或整个结构。

3D打印技术有多种实现方式，常见的包括挤压、粉末接合和喷涂。挤压技术就像是我们用胶枪挤胶一样，通过安装在龙门系统、机械臂或起重机上的喷嘴来回分层材料，通常由机械臂释放聚合物或混凝土材料。粉末接合则以粉末状原材料为主要成分，通过粉末床熔融或粘合剂喷射来创建印刷品。其中，粉床熔融利用激光将粉末颗粒熔化到选定的物体上，一次一层；粘合剂喷射使用打印头将液体粘合剂沉积到粉末打印床上，使粉末颗粒粘合在一起形成印刷品的每一层。喷涂技术中的冷喷涂增材制造利用高速气体射流将建筑材料加速到基材上，并逐层重复此过程，在修复腐蚀或损坏的零件时特别有效，也可用于形成整个部件。而且，这些3D打印技术中的每一种都可以与其他技术相结合，比如增材焊接可以在打印建筑材料时将其固化到位，这对于开发没有基础的结构（例如桥梁）特别有用。

塑料、混凝土、沙子、金属和砂浆是3D打印建筑材料中最受欢迎的选择。此外，复合材料还用于模拟木材、大理石和陶瓷等材料，例如用于3D打印的木丝通常由70%PLA和30%锯末及其他木纤维组成。随着技术的不断进步，未来使用的材料还将继续多样化。

3D打印在建筑领域有着诸多优势。它能实现高度定制，如果客户要求独特的建筑设计，具有复杂的形状或非常规的布局，只需直接修改3D打印软件，就能生产出独一无二的组件、建筑物和其他结构。在可持续性方面，全球建筑行业造成了大量的污染和资源浪费，而3D打印通过确保仅使用所需数量的材料，节省成本并显著减少浪费，还可以使用回收材料。效率上，传统建筑项目常出现完工时间比预期长、成本超支的情况，3D打印技术可加速原型制作过程，在几小时内打印出零件，并根据设计更改快速调整，将超限减少70% 。安全层面，3D打印通过执行一些最危险的现场任务，减少了工人在建筑工地受伤的风险，使工人能够承担监督角色。成本上，它可提高运营效率、提高质量、减少浪费并降低劳动力成本，确保项目保持在预算范围内，让客户更满意。

在实际应用中，3D打印在建筑模型制作上，能根据尺寸、复杂性和材料要求，快速生成准确的模型，用于可视化设计并传达设计意图；在原型制作方面，为建筑公司提供产品的可视化表示，支持产品测试并为未来的设计迭代提供信息；模板解决方案中，3D打印的模板为混凝土等建筑材料提供模具，材料使用少且无需持久耐用；如今，3D打印机还越来越多地生产整栋建筑物和其他结构，如临时避难所、永久住宅、办公室以及桥梁，提供了成本更低且更快的施工过程；当打印完整结构困难时，公司会选择打印单个组件，制造建筑元件是一种经济高效、可持续且高效的特定零件生产方法。像雄安新区的“雄安之翼”项目，就采用3D打印技术打印建筑外立面异形表皮部分的改性塑料预制装饰板材，成为国内最大规模建筑3D打印应用工程之一 。

自修复混凝土：建筑材料的“自愈大师”

混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料，它具有廉价和广泛适应性等优点，但美中不足的是容易开裂。过去，修复有裂缝的混凝土只能靠人工修补，费时费力。然而，2010年罗德岛大学的研究生和化学工程教授带来了惊喜，他们创建了一种新型“智能”混凝土，可以实现自我修复。

这种自修复混凝土的神奇之处在于，其混凝土混合物中嵌入了微型水玻璃胶囊。当裂纹产生时，胶囊破裂并释放一种凝胶状愈合剂，这种愈合剂会变硬填补空隙，从而实现自我修复。还有一种自修复混凝土是在内部添加了乳酸钙和细菌孢子，裂缝出现时，细菌孢子和水接触，通过反应生成碳酸钙，开始填充裂缝，乳酸钙则为细菌孢子源源不断地提供营养，以保证自愈混凝土不会随着时间的流逝丧失自愈性 。自修复混凝土的出现，大大提高了混凝土结构的安全性和耐久性，减少了维护成本和人力物力的投入。

气凝胶隔热材料：轻如鸿毛的“隔热能手”

气凝胶，这种材料可以说是材料领域的“明星”。它是通过排除凝胶中的液体制得的，几乎没有重量，却有着超强的隔热性能。气凝胶可以拉长成薄片气凝胶织物，在建设项目中，气凝胶织物发挥着“超强隔热”的特性。

气凝胶具有高比表面积、高空隙率等特殊的微观结构特点，化学性能稳定、导热系数低、耐高温、使用温度范围广、寿命长。它是目前已知导热系数最低、密度最小的固体材料，被称为“隔热王者” 。在航天领域，“天问一号”探测器发动机与火星车表面、“长征五号”遥四运载火箭发动机高温燃气系统隔热、嫦娥四号探测器热电池防护等都应用了气凝胶。在蒸汽管网等民用领域，纳米气凝胶隔热效果是传统隔热材料的2 - 5倍，可极大提高施工质量和施工效率，降低施工成本，还能减少保温层厚度，其保温层厚度可比传统材料减少2/3，节约能耗40%以上 。此外，气凝胶还具有憎水性和防火性，绝对憎水，可有效防止水分进入管道、设备内部，同时具有建筑A1级防火性能，且其独具的三维网络结构避免了其他保温材料在长期高温使用中烧结变形、沉降等保温效果明显下降的现象。

透水混凝土：会“呼吸”的路面材料

城市里，每逢大雨，道路积水问题总是让人头疼。而透水混凝土的出现，为解决这一问题提供了新思路。透水混凝土又称多孔混凝土、排水混凝土、无砂混凝土，是由骨料、水泥和水拌制而成的一种多孔混凝土，由粗骨料表面包裹一薄层水泥浆相互黏结而形成孔穴均匀分布的蜂窝状结构 。

透水混凝土最大的特点就是孔隙率高，这些孔隙让它具有良好的透气性与透水性。它由较大颗粒的岩石和沙子组成，使道路中有15至35%的开放空隙，石板铺设在砾石或其他多孔基材之上，雨水可以透过道路进入土壤，让大自然进行过滤工作。透水混凝土能有效减轻城市“热岛效应”，当下雨时，它能迅速让雨水渗透到地下，补充城区日益枯竭的地下水资源，同时减轻排水系统的负担，减少路面积水，减轻排洪压力 。而且，它还能吸收车辆行驶时产生的噪音，防止路面积水和夜间路反光，冬天不会在路面形成薄冰，提高了车辆和行人的通行舒适性和安全性。根据组成材料不同，透水混凝土可分为水泥透水混凝土、高分子透水混凝土、生态透水混凝土三种，其中水泥透水混凝土成本低、制作简单、耐久性好，适用于道路铺装；高分子透水混凝土强度高但成本高、耐候性差，在道路路面工程中应用较少；生态透水混凝土具有高透水性、高承载力、良好景观效果和抗冻融能力，广泛适用于人行道、自行车道等地面原生态铺装 。

智能公路：为出行赋能的“智慧之道”

想象一下，电动汽车在行驶过程中不需要频繁寻找充电站，而是在公路上就能随时充电，这不再是科幻电影里的场景，而是正在逐渐成为现实。一家新西兰公司已经建成一个大型“能源垫”，可以给停着的电动车无线充电，下一步就是将无线充电技术嵌入到实际路面里，这样电动汽车就可以在行进中充电 。

除了无线充电功能，智能公路还有很多有趣的设想。比如，通过传感器和智能系统，实时监测路况、车辆流量等信息，然后根据这些信息自动调节交通信号灯的时长，优化交通流量，减少拥堵。还能利用智能公路与车辆之间的通信技术，实现车辆的自动驾驶辅助，提高行车安全性。虽然目前这些技术还处于发展和完善阶段，但它们为未来的交通出行描绘了一幅美好的蓝图。

从3D打印技术的神奇构建，到自修复混凝土的智能守护；从气凝胶隔热材料的高效保温，到透水混凝土的生态环保；再到智能公路的出行变革，这些建筑科技正在深刻地改变着我们的生活。它们让建筑更加智能化、绿色化、人性化，为我们提供更加舒适、便捷、安全的生活环境。随着科技的不断进步，未来的建筑领域还会涌现出更多令人惊叹的创新成果，让我们拭目以待，共同期待一个更加美好的建筑未来。

来源: 科普文讯