3D打印房屋，建筑行業(yè)的變革

魔猴君  知識(shí)堂   23小時(shí)前

2004年，南卡羅來納大學(xué)的Behrokh Khoshnevis教授開創(chuàng)了混凝土墻3D打印技術(shù)。建筑行業(yè)真正標(biāo)志性的創(chuàng)新是它的Contour Crafting技術(shù)，該技術(shù)使得在短短20小時(shí)內(nèi)以完全自動(dòng)化的方式建造房屋成為可能。該教授開發(fā)了一種安裝在機(jī)械臂上的FDM型3D打印機(jī)，能夠擠出混凝土而不是塑料，從而從3D模型中創(chuàng)建層。Behrokh Khoshnevis很快展示了增材制造在建筑領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)：降低成本和浪費(fèi)、提高生產(chǎn)速度、減少工作場(chǎng)所事故以及創(chuàng)建復(fù)雜形狀的可能性。他的研究標(biāo)志著建筑3D打印的開始，為房屋3D打印鋪平了道路。

建筑行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者開始充分認(rèn)識(shí)到3D技術(shù)的巨大潛力及其對(duì)該領(lǐng)域未來的影響。根據(jù)Precedence Research最近進(jìn)行的市場(chǎng)研究，預(yù)計(jì)到2034年，建筑市場(chǎng)3D打印將達(dá)到14,181.6億美元，年增長(zhǎng)率為65%。這種擴(kuò)張并不是偶然的結(jié)果：越來越多的公司正在采用這種技術(shù)來開發(fā)項(xiàng)目。其中一些項(xiàng)目具有未來感，而另一些項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，例如位于沙特阿拉伯的世界上最大的3D打印建筑，高9.9米。建筑領(lǐng)域的3D打印正在高速發(fā)展，融合了各種技術(shù)和材料，具有眾多優(yōu)勢(shì)。但這項(xiàng)技術(shù)實(shí)際上意味著什么？對(duì)該行業(yè)有何好處？未來前景如何？要了解更多信息，請(qǐng)繼續(xù)閱讀本文。

圖1：輪廓工藝的首次開發(fā)。

目前建筑行業(yè)有哪些3D打印工藝？

機(jī)械臂擠壓材料

Contour Crafting方法標(biāo)志著3D打印在建筑領(lǐng)域的首次亮相。此過程涉及沉積建筑材料以形成3D模型，從而可以創(chuàng)建具有光滑表面光潔度的大型結(jié)構(gòu)。建筑物地板周圍安裝有導(dǎo)軌，作為機(jī)械臂的引導(dǎo)。該手臂前后移動(dòng)以逐層涂抹混凝土。放置在噴嘴兩側(cè)和上方的固定槳使擠出層變平，確保足夠的強(qiáng)度。傳統(tǒng)混凝土無法用于此過程，因?yàn)樗鼰o法支撐自身重量。因此，使用了一種特定的混凝土，它可以更快地硬化并允許更快的配置。

圖2：使用機(jī)械臂進(jìn)行3D打印。

該領(lǐng)域不同參與者使用和開發(fā)的技術(shù)非常相似，都基于相同的基本原理：材料擠出。例如，法國(guó)的Constructions-3D公司設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)極地機(jī)器，能夠直接在建筑工地、正在建造的建筑物的中心進(jìn)行打印。該機(jī)器易于運(yùn)輸且適應(yīng)性強(qiáng)，由機(jī)械底座和配備公司開發(fā)的擠出機(jī)噴嘴的機(jī)械臂組成。該臂的打印面積為150平方米，打印高度可達(dá)7米。

一些公司選擇專注于混凝土以外的材料的擠出，同時(shí)保持相同的技術(shù)原理。一個(gè)例子是獲得專利的BatiPrint 3D工藝，該工藝是南特大學(xué)、Bouygues Construction和Lafarge Holcim合作開發(fā)的。該工業(yè)機(jī)器人直接在現(xiàn)場(chǎng)放置三層材料：兩層膨脹聚合物泡沫和一層混凝土。南特大學(xué)教授伯努瓦·福雷(Benoit Furet)解釋說：“泡沫提供隔熱和隔音作用，而混凝土則增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，從而使其具有抗震性能”。

圖3：BatiPrint增材制造技術(shù)的開發(fā)

砂層交界處

在歐洲，意大利人Enrico Dini使用他的D-Shape 3D打印機(jī)開發(fā)了一種工藝。該系統(tǒng)基于粉末的使用，粉末通過“墨水”形式的粘合劑固化。在此過程中，沙子或骨料層沉積到所需的厚度，然后配備300個(gè)噴嘴的打印頭沉積粘合劑液滴，從而使沙子硬化。該機(jī)器呈立方體形狀，尺寸為4 x 4米，能夠創(chuàng)建最大6立方米的大型結(jié)構(gòu)。

固體結(jié)構(gòu)用金屬

荷蘭公司MX3D開發(fā)了一種創(chuàng)新的施工方法WAAM（電弧增材制造），該方法允許使用6軸機(jī)器人制造金屬結(jié)構(gòu)。該機(jī)器人每小時(shí)可沉積2公斤材料，這使得該技術(shù)特別適合建筑中金屬結(jié)構(gòu)復(fù)雜而細(xì)致的焊接工作。

為了開發(fā)他們的技術(shù)，MX3D與液化空氣集團(tuán)和安賽樂米塔爾合作。該機(jī)器人配備了焊機(jī)和噴嘴，可以將金屬棒逐層焊接。該工藝與多種金屬合金兼容，例如不銹鋼、青銅、鋁或鉻鎳鐵合金。簡(jiǎn)而言之，它是一臺(tái)“巨型焊機(jī)”：“我們將工業(yè)機(jī)器人與焊接機(jī)結(jié)合在一起，從而將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭膳c我們自己的軟件配合使用的3D打印機(jī)，”該團(tuán)隊(duì)解釋道。

圖4：MX3D機(jī)械臂

為什么在建筑中使用3D打印？

3D打印混凝土的主要優(yōu)點(diǎn)之一是可以節(jié)省大量時(shí)間。事實(shí)上，3D打印可以減少70%的施工時(shí)間，同時(shí)減少施工現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)和事故。Benoit Furet解釋道：“減少困難和風(fēng)險(xiǎn)是現(xiàn)實(shí)，我們?cè)跊]有腳手架的情況下建造了3.8 m高的墻。此外，我們注意到施工現(xiàn)場(chǎng)非常安靜。?他的團(tuán)隊(duì)成功3D打印了一座95平方米的房屋，這將是該市第一座3D打印的社會(huì)住房。據(jù)他介紹，BatiPrint技術(shù)還有助于以更低的成本創(chuàng)建彎曲形狀，并提供工作自動(dòng)化：3D打印機(jī)可以連續(xù)工作直到項(xiàng)目結(jié)束，從而顯著減少等待時(shí)間。

與傳統(tǒng)施工方法相比，在建筑中使用3D打印的另一個(gè)好處是減少材料使用。與減材工藝不同，材料的逐漸添加限制了對(duì)環(huán)境的影響，并且產(chǎn)生的廢物很少，這主要?dú)w功于拓?fù)鋬?yōu)化。XtreeE聯(lián)合創(chuàng)始人Romain Duballet強(qiáng)調(diào)：“通過幾何控制，可以設(shè)計(jì)優(yōu)化的形狀，從而減少所需材料的數(shù)量。?當(dāng)我們考慮到混凝土是地球上僅次于水的最常用資源之一時(shí)，這一優(yōu)勢(shì)就顯得更加重要。

圖5：由法國(guó)公司XtreeE創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)

3D打印在建筑領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)之一是缺乏明確的標(biāo)準(zhǔn)來認(rèn)證打印結(jié)構(gòu)。Constructions-3D公司經(jīng)理Axel Thery解釋道：“主要困難來自于3D打印尚未被認(rèn)為是一種符合現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的施工方法。由于印刷結(jié)構(gòu)是非傳統(tǒng)的，因此很難評(píng)估其長(zhǎng)期強(qiáng)度。這就是為什么用于居住的建筑必須在一開始就逐步進(jìn)行測(cè)試。?

然而，一些國(guó)家開始考慮制定標(biāo)準(zhǔn)，將該技術(shù)整合到建筑領(lǐng)域。例如，在迪拜，阿聯(lián)酋當(dāng)局計(jì)劃到2030年使用3D技術(shù)建造25%的新建筑。

一方面，增材制造創(chuàng)造了許多就業(yè)機(jī)會(huì)，但建筑工人呢？房屋3D打印和施工過程自動(dòng)化是否會(huì)讓許多工作崗位變得過時(shí)？在建筑工地操作3D打印機(jī)需要哪些技能？3D混凝土打印專家一致認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)將改變這些職業(yè)，但不會(huì)消除它們。我們正在見證職業(yè)概況的變化。Benoit Furet解釋道：“職業(yè)將會(huì)不斷發(fā)展，從建筑師到石匠，再到石工操作員。最終，整個(gè)數(shù)字化過程變得更加簡(jiǎn)單，建筑專業(yè)人員將扮演數(shù)字泥瓦匠和機(jī)器人控制器的角色。?

圖6：3D打印房屋會(huì)改變目前的工作嗎？

住房危機(jī)的解決方案？

3D打印使更快地創(chuàng)建結(jié)構(gòu)成為可能，可以通過提供更快建造的經(jīng)濟(jì)適用住房來提供應(yīng)對(duì)住房危機(jī)的理想解決方案。一些公司已經(jīng)為此目的采用了這項(xiàng)技術(shù)，例如意大利的WASP，它渴望通過3D打印建立一個(gè)更加可持續(xù)的世界。該公司開發(fā)了世界上最大的3D打印機(jī)之一，能夠使用當(dāng)?shù)夭牧虾吞柲堋L(fēng)能或水力等可再生能源建造房屋。這使得即使是沒有電力的地區(qū)也可以利用當(dāng)?shù)刭Y源創(chuàng)建生態(tài)結(jié)構(gòu)。

圖7：意大利公司WASP的開發(fā)。

一些國(guó)家正在考慮將3D打印作為住房危機(jī)的解決方案。例如，在智利，比奧比奧大學(xué)和ANID合作的成果Casa Semilla項(xiàng)目最近啟動(dòng)。這一舉措是在該國(guó)超過50萬人遭受住房短缺之際提出的。這座房子僅用了29小時(shí)就建成了，既抗震、耐用，又能適應(yīng)智利的不同地區(qū)，從而為解決住房問題提供了創(chuàng)新且可行的解決方案。

雖然增材制造可以為地球的住房危機(jī)提供解決方案，但它也可以在太空探索中發(fā)揮關(guān)鍵作用，包括在太空建造房屋。這個(gè)想法已經(jīng)在NASA的“3D打印棲息地挑戰(zhàn)”中得到了探索，該挑戰(zhàn)旨在設(shè)計(jì)能夠在月球或火星上建造棲息地的技術(shù)。然而，在我們?cè)谔罩锌吹接∷⒔Y(jié)構(gòu)之前，仍有許多障礙需要克服。

圖8：月球3D打印項(xiàng)目

編譯整理：3dnatives