德克薩斯州奧斯汀的零號之家
德克薩斯州奧斯汀的零號住宅佔地 2,000 平方英尺,採用 3D 打印混凝土建造。 弗拉托湖建築師

在建築中,新材料很少出現。

幾個世紀以來,木材、磚石和混凝土構成了地球上大多數結構的基礎。

在 1880 年代,採用 鋼架永遠改變了建築. 鋼鐵讓建築師能夠設計出更高的建築和更大的窗戶,從而造就了今天定義城市天際線的摩天大樓。

自工業革命以來,建築材料在很大程度上僅限於一系列大規模生產的元素。 從鋼樑到膠合板,這套標準化的零件套件為建築物的設計和建造提供了 150 多年的信息。

隨著所謂“大規模增材製造” 自從採用鋼框架以來,還沒有出現具有如此大的潛力來改變建築物的構思和建造方式的發展。

大型增材製造,如桌面 3D 打印,涉及一次構建對象的一層。 無論是粘土、混凝土還是塑料,打印材料都以液態擠壓並硬化成最終形狀。


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作為董事 智能結構研究所 在田納西大學,我有幸參與了一系列部署這項新技術的項目。

雖然這項技術的廣泛採用仍然存在一些障礙,但我可以預見,在未來,建築物將完全由回收材料或現場採購的材料建造,其形式受到自然幾何形狀的啟發。

有前途的原型

其中有 延齡草館,一個由回收材料打印的露天結構 ABS聚合物,一種廣泛用於消費品的普通塑料。

該結構的薄雙曲面的靈感來自於花瓣 它的同名花. 該項目由學生設計,由 Loci Robotics 印刷,並在諾克斯維爾切諾基農場的田納西大學研究園內建造。

其他最近大規模增材製造的例子 包括特克拉,一個 450 平方英尺(41.8 平方米)的原型住宅,由 Mario Cucinella Architects 設計並在意大利小鎮馬薩倫巴達印刷。

Tecla 由當地採購的粘土製成。
Tecla 由當地採購的粘土製成。
馬里奧·庫奇內拉(Mario Cucinella)建築師

建築師們用來自當地河流的粘土打印了 Tecla。 這種廉價材料和徑向幾何形狀的獨特組合創造了一種節能的替代住房形式。

回到美國,建築公司 Lake Flato 與建築技術公司 ICON 合作,為一個名為“零號屋”在得克薩斯州奧斯汀。

這座 2,000 平方英尺(185.8 平方米)的房屋展示了 3D 打印混凝土的速度和效率,並且該結構在其曲線牆和外露木框架之間形成了令人愉悅的對比。

規劃過程

大規模增材製造涉及三個知識領域:數字設計、數字製造和材料科學。

首先,建築師為將要打印的所有組件創建計算機模型。 然後,這些設計師可以使用軟件來測試組件將如何響應結構力並相應地調整組件。 這些工具還可以幫助設計人員弄清楚如何減輕組件的重量並使某些設計過程自動化,例如在打印之前平滑複雜的幾何交叉點。

一個軟件 被稱為切片機 然後將計算機模型轉換為 3D 打印機的一組指令。

您可能會假設 3D 打印機的工作規模相對較小——想想 手機套牙刷架.

但 3D 打印技術的進步讓硬件 認真地擴大規模. 有時打印是通過所謂的 基於龍門架的系統 – 類似於桌面 3D 打印機的矩形滑軌框架。 日益, 機械臂 由於它們能夠在任何方向打印而被使用。

機械臂使施工過程更加靈活。

 

打印站點也可能不同。 家具和較小的組件可以在工廠打印,而整個房屋必須在現場打印。

一系列材料可用於大規模增材製造。 混凝土因其熟悉度和耐用性而成為一種流行的選擇。 粘土是一種有趣的替代品,因為它可以在現場收穫——這就是 Tecla 的設計師所做的。

但塑料和聚合物可能具有最廣泛的應用。 這些材料的用途非常廣泛,它們的配製方式可以滿足各種特定的結構和美學要求。 它們也可以由回收和有機衍生材料生產。

來自大自然的靈感

由於增材製造逐層構建,僅使用製造特定組件所需的材料和能量,因此它是一種比“減法”,其中涉及切除多餘的材料——想想從樹上銑出一根木樑。

即使是混凝土和塑料等常見材料也能從 3D 打印中受益,因為不需要額外的模板或模具。

如今,大多數建築材料都是在專為生產相同部件而設計的裝配線上大量生產的。 在降低成本的同時, 這個過程幾乎沒有留下定制的空間.

由於不需要工具、模具或模具,大規模增材製造讓每個零件都獨一無二,不會因增加複雜性或定製而浪費時間。

大規模增材製造的另一個有趣特徵是能夠生產具有內部空隙的複雜部件。 有一天,這可能會允許在牆壁上打印已經到位的管道或管道系統。

此外, 正在進行研究 探索多材料 3D 打印的可能性,這種技術可以將窗戶、絕緣材料、結構加固——甚至佈線——完全集成到一個打印組件中。

增材製造最讓我興奮的一個方面是使用緩慢硬化的材料逐層構建的方式,反映了自然過程,如殼的形成。

上海的一座 3D 打印房屋
上海的一座 3D 打印房屋在不到 24 小時內用建築垃圾建成。
視覺中國集團/蓋蒂圖片社

這打開了機會之窗,使設計人員能夠實現使用其他構造方法難以生產但在自然界中很常見的幾何形狀。

結構框架 靈感來自鳥類骨骼的精細結構 可以創建輕量級的管子格子,不同的大小反映了作用在它們上面的力。 立面 喚起植物葉子的形狀 可能被設計為同時為建築物遮陽並產生太陽能。

克服學習曲線

儘管大規模增材製造有許多積極的方面,但其更廣泛採用仍存在許多障礙。

也許最大的挑戰是它的新穎性。 有一整套基礎設施圍繞傳統建築形式建造,如鋼材、混凝土和木材,其中包括供應鍊和建築規範。 此外,數字製造硬件的成本相對較高,使用這些新材料所需的具體設計技能尚未得到廣泛教授。

為了讓 3D 打印在建築中得到更廣泛的採用,它需要找到自己的定位。 類似於如何 文字處理幫助普及了台式電腦,我認為這將是大規模增材製造的具體應用,這將導致其普遍使用。

也許這將是它打印高效結構框架的能力。 我也已經看到了它創造獨特的雕塑立面的前景,這些立面可以在使用壽命結束時回收和重印。

無論哪種方式,似乎某些因素的組合將確保未來建築物的某些部分將是 3D 打印的。談話

關於作者

詹姆斯·羅斯, 智能結構研究所所長, 美國田納西州大學

本文重新發表 談話 根據知識共享許可。 閱讀 原創文章.