序

未來火星上的建筑物長什么樣，是個經(jīng)久不衰的科幻話題。

決賽入圍第1名效果圖

作為一個前建筑行業(yè)從業(yè)者，我聞到了火星房地產(chǎn)項目的味道。

在介紹決賽入圍方案之前，先回溯一下NASA的“3D打印居住地挑戰(zhàn)賽”的賽程。

為探索在月球、火星以及更遠深空天體上，建設(shè)長期居住地的可行性方案，人類需要就地取材、就地建造，降低對地球的依賴?！?D打印居住地挑戰(zhàn)賽”就是希望用火星地表土壤為原材料，結(jié)合3D打印技術(shù)，建設(shè)外星的建筑物。NASA提出的基本設(shè)計要求是：1000平方英尺（約93平方米）的生活空間，包括生命維持、機械設(shè)備、電氣系統(tǒng)、管道系統(tǒng)、太空服和流動站艙口等組成部分，滿足4個宇航員居住一年的需求。

從2014年比賽舉辦至今，已完成兩個階段賽程：建筑概念設(shè)計競賽（效果圖）與結(jié)構(gòu)組件競賽（制造結(jié)構(gòu)構(gòu)件）。目前即將完成第3階段挑戰(zhàn)項目——在BIM建?；A(chǔ)上，完成現(xiàn)場1：3的模型制造。

具體來說，第3階段又細分為5個環(huán)節(jié)，本次公布的決賽入圍名單，是第4環(huán)節(jié)“BIM模型深化設(shè)計”的評比結(jié)果。5月1日~5月4日，比賽將進行最后環(huán)節(jié)，各組選手現(xiàn)場打印居住地模型，并進行結(jié)構(gòu)測試。

在2015年的第1階段比賽中，NASA共收到超過165份參賽作品，選出了評分最高的30份作品展出。根據(jù)建筑概念、設(shè)計方法、可居住性、創(chuàng)新、功能、火星選址和3D打印施工可行性等評比指標(biāo)，NASA將最終選出比賽前3名，并授予獎金4萬美元：

NASA“3D打印居住地挑戰(zhàn)賽”第1階段前3名

（左上為第1名，右上為第2名）

獎金不多，但總的來說第1階段比賽是開局一張圖，剩下全靠編。前30名作品中還有不少奇奇怪怪的東西：

NASA“3D打印居住地挑戰(zhàn)賽”第1階段部分入圍作品

2017年舉辦的第2階段賽程分為3個環(huán)節(jié)：3D打印截錐和圓柱體、3D打印結(jié)構(gòu)梁體，以及居住地模型的現(xiàn)場打印比賽。第1環(huán)節(jié)獎金共計10萬美元，經(jīng)過壓縮測試評選出的前2名打印作品如下：

第2階段第1環(huán)節(jié)前2名

梁體打印環(huán)節(jié)需要用可回收的熱塑性混凝土材料，并通過結(jié)構(gòu)抗彎測試，獎金共計20萬美元。入圍的6支參賽隊伍中還有韓國隊和新加坡隊，韓國隊拿了第1。但國際參賽隊伍沒有獎金，第2~5名的美國參賽隊瓜分了20萬：

第2階段第2環(huán)節(jié)前3名

（左上為第1名，左下為第3名）

在第2階段的最后環(huán)節(jié)，各參賽隊現(xiàn)場打印相同的建筑模型，前2名共獲得40萬美元獎金：

第2階段第3環(huán)節(jié)前2名（左為第1名，右為第2名）

2018年起舉辦的第3階段包含5個比賽環(huán)節(jié)，分別是2場建筑BIM模型評比（初級模型和深化模型），與3場3D打印評比。本次公布入圍決賽的3個方案，就是BIM深化模型的評比結(jié)果：

BIM深化模型前3名（左為第1名，右為第3名）

總體來看，火星建筑物設(shè)計分為整體式與分布式兩大方向。前3名作品中，第1名就是整體式——將生活、實驗室等一系列功能集成到一個獨棟建筑體中。其余兩個都選用了分布式，每個功能區(qū)自成一體，用通道相連。

整體式的優(yōu)點在于節(jié)省材料，而運力正是深空探測中最稀缺的資源。但缺點是建設(shè)周期長，建設(shè)過程較復(fù)雜，而且難以擴建改造。分布式優(yōu)點是模塊化布局，可以將工程拆分為幾個模塊來分階段完成，而且還可以用增加模塊的方式擴建。缺點是材料較為浪費，考慮到目前仍然需要使用大量地球制造的成品件與材料，兩個方案的確要好好比選一下。

第1名以整體式布局勝出并不意味著一定是NASA的專家更傾向于整體式設(shè)計。該比賽環(huán)節(jié)是BIM深化模型評選，第1名勝出的主要原因是建模夠細致：

雙曲線結(jié)構(gòu)考慮了火星低氣壓（不到地球地表1%）環(huán)境下的力學(xué)特性

通風(fēng)系統(tǒng)、實驗室設(shè)備系統(tǒng)、生活用水系統(tǒng)

（為確保安全，兩個實驗室的系統(tǒng)彼此獨立）

外墻分層構(gòu)造示意

施工流程模擬

3D打印技術(shù)驗證

“3D打印居住地挑戰(zhàn)賽”并不是NASA唯一的深空技術(shù)招標(biāo)。在“百年挑戰(zhàn)計劃”下，NASA并行舉辦了多個競賽，除了這項比賽，還有月球小衛(wèi)星挑戰(zhàn)賽、太空機器人挑戰(zhàn)賽、血管組織挑戰(zhàn)賽，以及二氧化碳轉(zhuǎn)化（成糖類）挑戰(zhàn)賽等。

這些挑戰(zhàn)賽總獎金規(guī)模都是數(shù)百萬美元，不算巨額懸賞——真正有難度、有迫切需求的技術(shù)，NASA還是親自擼袖子下場。舉辦國際競賽，很大程度上是為了提高民間組織的參與度，為美國航天做社會宣傳。

幾百萬美元還要拖拖拉拉分出十幾個賽程環(huán)節(jié)，獎金分給十幾個隊伍，參賽團隊/公司如果真用心去做，必然虧本。從上述的參賽作品也能看出，粗糙簡陋是普遍現(xiàn)象。國內(nèi)任何一家大型設(shè)計公司把這個競賽當(dāng)作正式項目來做，都可以吊打所有參賽方案。除非賠本賺吆喝，圖一個“我家方案用到火星”的名頭，不然沒人愿意真的費時費力。

然而，這個路線也被堵死了，NASA在參賽資格上明確寫明：出口管制計劃清單國家的公民與組織無參賽資格。此外，美國于2011年立法禁止NASA、白宮科技政策辦公室用政府資金與中國在空間即科技領(lǐng)域合作，也不允許接待中國相關(guān)的官方訪問者，在空間技術(shù)領(lǐng)域與中國徹底切斷往來。

因此比賽中有韓國人，有新加坡人，卻沒有地產(chǎn)市場勞動力過剩的中國團隊。

上世紀(jì)末，人類登陸火星的計劃排期還是2014年。2004年，總統(tǒng)小布什曾在NASA宣布“深空探索新構(gòu)想”，要在2015年登月，2037年登火?，F(xiàn)在2019年已經(jīng)過去一小半，人類還沒解決重新登月的問題。

特朗普上臺后，有意用航天超級工程給自己加政治分，于是有了“1號太空政策指令”。結(jié)果SLS（太空發(fā)射系統(tǒng)）首飛連續(xù)跳票，登月時間推到了2028年。3月26日，副總統(tǒng)彭斯再次明確登月倒計時：5年內(nèi)，即不晚于2024年——特朗普第二屆任期最后一年。

對于新時間表，彭斯表態(tài)要在戰(zhàn)略上“畢其功于一役”。彭斯說：

在NASA的“探索運動”計劃中，重返月球正是載人登陸火星工程的前奏。在彭斯表態(tài)登月提速后，NASA明確將載人登陸火星的時間表排到2033年。NASA局長吉姆·布里登斯廷（Jim Bridenstine）說：

向火星發(fā)射探測器，需要考慮地火轉(zhuǎn)移軌道的窗口期，載人登陸還需要考慮返回的火地轉(zhuǎn)移軌道窗口期。在2031~2045年間，分別有7次地火轉(zhuǎn)移軌道與火地轉(zhuǎn)移軌道窗口期。首先排除2036年這個太陽活動極大年，然后考慮盡可能避開火星塵暴季節(jié)，再折算變軌能量需求和耗時，最佳方案是2033年出發(fā)2035年返回，安全度最高、往返總能量最小，飛行時間相對較短。

2031~2045年間地火往返軌道及主要約束條件

按照這個時間表，飛往火星的人類，將在火星駐留一年多?？紤]到節(jié)省載荷因素，登陸火星很可能只是小型著陸器，宇航員大部分時間會停留在火星軌道，開展觀察活動。因此3D打印火星居住地的技術(shù)，多半不會被2033年火星任務(wù)采用。但下次再去，也得考慮每隔2.14年一次的發(fā)射窗口期，所以NASA要求建筑要滿足宇航員1年生活。

諷刺的是，2004年小布什探空探索新構(gòu)想中，提出的登月時間是2015年，而登火時間是2037年。

NASA探索運動時間表

如果把移民火星看作一款電子游戲，人類目前的游戲成就完成度如下：

探測器抵達火星軌道（已達成）

探測器著陸（已達成）

探測車巡游（已達成）

采樣返回（未達成）

載人登陸（未達成）

火星資源利用（未達成）

人類在火星長期駐留（未達成）

平民商業(yè)登陸（未達成）

大規(guī)模移民基地建設(shè)（未達成）

移民基地能源自給（未達成）

火星對地球展開大規(guī)模商貿(mào)（未達成）

永久火星移民（未達成）

人類出生在火星（未達成）

移民正常衰老死亡（未達成）

開發(fā)/演化出火星物種（未達成）

火星人到地球旅游（未達成）

移民完全自給（未達成）

火星共和國（未達成）

亞文明文化、技術(shù)隔離（未達成）

行星際戰(zhàn)爭（未達成）

目前NASA“探索運動”計劃中，以“好奇號”為原型的“火星2020探測車任務(wù)”，就是火星取樣返回系列任務(wù)的第一步。NASA還在努力將成就表中第4項從PPT變成現(xiàn)實，而3D打印居住地的設(shè)計指標(biāo)是讓宇航員居住1年，這已經(jīng)是第7項成就。

因此，在3D打印火星居住地之前，這一技術(shù)更現(xiàn)實的用途，是月面基地建設(shè)。

結(jié)語

利用火星土壤作為建筑材料，以3D打印技術(shù)建造永久居住地，看起來是很宏偉的想象，但離眼下人類深空探測的現(xiàn)實還有點遠（果然沒有中國人的基建項目都慢）。

在建造永久居住地之前，人類還有包括長期使用的能源系統(tǒng)、空氣循環(huán)、水循環(huán)、食物循環(huán)等一系列的技術(shù)坑要填——而超重型火箭開發(fā)進度會限制以上所有技術(shù)的應(yīng)用。

但如果把“3D打印居住地”看成一次公關(guān)活動，性價比還是不錯的。NASA只用幾百萬美元，就能多年不斷制造關(guān)于火星探索的新聞，比直接打廣告宣傳更有趣、更有效，完成了航天文化的二次擴散。我國航天部門也在陸續(xù)推出自己的深空探索計劃，也需要向民眾科普并解釋巨額投資的理由，NASA的宣傳經(jīng)驗值得借鑒。