建筑领域的 3D 打印将如何（最终）改变建筑世界

如今，3D打印创新正在涌入建筑行业，但它们能否足够快地满足飞速增长的需求？

迪拜的未来办公室仅用 17 天就打印完成。 由迪拜媒体办公室提供。

谈到可持续建筑，3D 打印不仅仅是一个新奇事物； 是实现复杂形状的必备工具； 在具有挑战性的地形中建造； 并节省时间、金钱和材料。

从挤压到粘合的许多 3D 打印方法都非常适合建筑领域。

建筑行业的 3D 打印面临着多项挑战，包括高昂的前期成本以及缺乏技能和标准。

未来，3D打印建筑将比传统建筑变得更便宜、更可持续，这将带来快速的行业变革。

2016 年迪拜未来办公室的建设标志着 3D 打印在建筑领域的应用已经做好了准备。 这座 2,691 平方英尺的建筑采用节能 HVAC 系统、反应灵敏的 LED 照明和遮阳装置来降低功耗，由 18 人组成的团队使用 20 x 40 x 120 的建筑在短短 17 天内完成英尺3D打印机。 工作项。 在巩固了其作为产品原型技术的地位后，3D 打印已扩展到一个全新的领域。

但对于建筑行业来说，3D打印既是华而不实的新奇事物，也是迫切的需求。 建筑物造成了 23% 的空气污染、40% 的饮用水污染和 50% 的垃圾填埋场垃圾——这种情况需要改变。 随着软件和机械的改进，建筑师和建筑公司越来越多地转向 3D 打印来实现复杂的形状； 建在危险或偏远的地方； 并节省时间、金钱和材料。 建筑领域的 3D 打印时代已经到来，随着障碍的消失，它将成为未来可持续建筑的基础。

3D打印方法

3D 打印自 1971 年就出现了，这是一个令人惊讶的漫长岁月。 经过工业界几十年的发展，各种各样的3D打印技术已经出现——尽管只有少数适​​合建筑：

推出

挤压是将材料加热到接近其熔点，迫使其通过一个小孔，然后将其施加到表面上的过程，在该表面上材料开始固化成由挤压角度和力决定的形状。 挤压技术是消费者 3D 打印热潮的背后原因，因为它适用于聚合物或碳纤维等轻质材料。

自诞生以来，挤压技术已扩展到从金属到生物材料的各个领域。 这是最便宜的 3D 打印形式，在建筑领域主要用于小型轻质零件。

塑料线从挤出机中出来。

纽带

粘合也称为粘合剂喷射，可以与挤出机或更像喷墨打印机的将墨水施加到页面上的方法一起使用：直接“喷射”，尽管以更精确和有针对性的方式。

3D打印头将一层薄薄的粘合剂与输入材料一起沉积到前一层上，从而使下一层材料和整体结构更具强度和稳定性。 它适合粘合金属粉末、陶瓷金属化合物和沙子等材料，使其成为建筑的理想选择。

添加焊接

增材焊接是加工金属等延展性材料的最新技术。

增材焊接不是加热材料并迫使其通过挤出机或从喷嘴喷射，而是使用从激光束到传统电弧焊炬的能源，将材料熔化成粉末或小条或线，然后将这些材料放置在在先前的层上，冷却并快速固化成预定的形状。

建筑材料可以3D打印

在建筑项目的无数组件中，许多组件（金属、混凝土、橡胶、塑料）都可以进行 3D 打印。 改革现有的程序，使其易于使用，例如设计用于打印特定组件（墙壁、飞机机翼等）以及所有电线、管道、密封件、框架以及其他现有材料和零件的程序，所有这些全部采用相同的多材料工艺挤压而成。

对于建筑来说至关重要的是，混凝土是 3D 打印的可行候选材料，因为 3D 打印混凝土使用与传统工艺相同的成分（沙子、水、骨料）。 但不要将所有东西倒入搅拌机并快速添加沙子或水，而是从一开始就确保混合和稠度正确，这样它们就不会堵塞挤出机或涂抹器。

如今，3D 打印的房屋或建筑物是通过在现场部署打印机来管理的。 对于最大的项目，这意味着需要一个全尺寸的龙门架，可以将挤出机头移动到建筑物周围的任何位置。

例如，在不可行的情况下，可以打印建筑项目的构建块并将其运送到现场——这一过程正在迅速改进。 加利福尼亚州奥克兰的一家企业正在生产 3D 打印砖块（称为“模块化建筑组件”）。 这种酷炫的砖块新贵仅使用粘土和沙子即可为房间降温，甚至在地震期间稳定整个建筑结构。

3D打印在建筑领域的优势

对于愿意冒险尝试的建筑公司和买家来说，3D 打印建筑材料具有一系列优势，当在全行业推广时钢结构住宅3d，可能会破坏建筑环境。

零浪费

到2025年，整个建筑行业预计将产生22亿吨废物，造成环境污染。 3D 打印的优势至关重要。

许多物品都是通过将较大的物体切割或成型而制成的，但减去了材料。 作为地球上最大的工业之一，建筑业产生大量废物。 使用 3D 打印机构建结构意味着仅提供您需要的输入材料，而不是多一克。

减少能源足迹

建筑业占所有能源相关二氧化碳排放量的 39%。 通过消除生产和运输能源密集型材料的需要，3D 打印可以使建筑更加环保。 一个令人兴奋的应用是将 3D 打印机送入太空，利用其着陆的泥土在火星上建造栖息地。

离家较近，建筑商可以使用当地可用的天然材料。 好处包括减少工作现场的有毒材料，并最大限度地减少将材料运输到现场和清除废物（或清除现有结构中的拆除废物）的需要。

材料颗粒可以取自当地土壤，用于在火星上建造栖息地。 由AI空间工厂提供。

更快更便宜

增材制造的建筑可以一路节省成本：您无需购买超出所需的材料。 您不需要运送或卡车运输材料。 您无需带走剩余或未使用的材料。 您不需要非熟练劳动力来移动、堆放、搬运或准备砖或木框架。

如果环境条件有利，3D 打印机可以每周 7 天、每天 24 小时运行，除了补充输入材料和维持电源外不需要其他注意。

只受限于你的想象力

这是一种常见的挫败感：建筑师创造了创新的设计，但材料、建筑实践或物理学使独特愿景的锐利边缘变得迟钝，导致了更传统的最终结果。

相比之下，增材制造意味着重量分布或空间要求的设计出路是逐层构建，在制造时支撑其自身的重量或占地面积。 传统的方法或工具不再需要指导设计。

新的安全配置文件

整个 2010 年代，建筑行业的死亡人数一直在上升，2019 年达到 12 年来的最高水平。交通事故、坠落、接触危险材料和火灾是大多数悲剧的原因，但 3D 打印的建筑环境可以消除几乎所有这些危险。

将结构的 3D 表示直接转换为构建它的机器（而不是让人阅读平面图，这可能会导致翻译错误和信息冲突）意味着更高的精度和自动化程度，使更多的人免受伤害。 如果没有现场材料来存储、移动和管理，存储材料造成的损坏和伤害将成为过去。

3D打印在建筑行业面临的挑战

尽管有这些好处，3D 打印机在建筑工地上仍然很少见。 当智能手机网络变得无处不在时，固定电话基础设施被大规模替换。 为什么建筑行业的 3D 打印没有发生同样的情况？ 现实情况是，虽然理论是合理的，但存在限制广泛采用的非常现实的瓶颈。

前期成本过高

木材、金属框架、窗玻璃、管道和能源设备的供应链在经济中根深蒂固——从全球木材或钢铁供应到当地供应商和建筑商——每个新项目一开始就考虑价格点。

尽管 3D 打印在速度和成本方面具有长期优势，但其前期成本仍然很高，而这些成本不一定会转嫁给买家； 整个运动的部分吸引力在于所谓的成本节约。

技能培训滞后

尽管全球有100万家建筑公司，但拥有3D打印经验的却很少。 该领域需要软件工程师和材料科学家与建筑商合作，而该领域的增长（在大学或在职培训更多此类专家）必须超过建筑行业的整体增长，以保持必要的专家领先于需求。 。

缺乏适用标准

建筑业是经济中监管最严格的部门之一。 虽然这些法律适用于任何房屋，无论其制造商如何钢结构住宅3d，但它们是为基于一个世纪的大规模工业化的传统建筑而制定的，并且当使用 3D 打印等新的制造途径时，建筑法规不会直接转化。

这使得 3D 打印建筑实践（而不是最终产品本身）成为一个非常不受监管的领域，业主和投资者都保持警惕，直到监管赶上该技术。

建筑中 3D 打印的示例

Oudezijds Achterburgwal 人行天桥

2015年，隆基采用钢结构MX3D结合新旧技术，在拥有670年历史的阿姆斯特丹运河上建造了一座不锈钢3D打印人行桥。传统上，3D打印结构一直受到打印机尺寸的限制，但MX3D使用了薄型钢结构。保险丝输入创建一座 40 英尺长的桥梁，该桥梁漂浮在运河系统中进行运输并固定到位。

MX3D 的人行天桥横跨阿姆斯特丹最古老的运河之一

如今，这座人行天桥不仅仅是一座桥梁：再加上从人流中提取并输入阿姆斯特丹智能基础设施网格的应变、振动和位移的实时数据，它是衡量城市命脉的关键传感器。 这也是一场对话的开始：一种将 3D 打印带入日常生活的方式。 正如 MX3D 联合创始人 Tim Geurtjens 当时所说； “这不仅仅是为了商业利益；这也是为了做一些你想做的事情，因为它是可能的。”

3D打印建筑物

对于打印房屋和办公楼的玩家来说，这是一场力争上游的竞赛：最大、最快、最便宜等等。

然而，早在2015年，中国公司盈创就凭借3D打印的六层公寓楼和最大的3D打印房屋首次达到了“最大”的里程碑。 如今，该公司正在开发环保材料，如纤维增强塑料、玻璃纤维增​​强石膏，以及有趣的名字“疯狂魔法石”。

当然，3D打印不仅仅是媒体趋之若鹜的华而不实的项目。 2017 年，法国的 YRYS 概念住宅使用注塑成型将快速凝固的 3D 打印混凝土层压到穿孔墙和支撑柱中以支撑上部结构，通过创建轻质但坚固的建筑组件来改变游戏规则。

XtreeE 是 YRYS 概念房屋的 18 个合作伙伴之一，为实验房屋结构设计了支撑柱（如图）和穿孔墙。

人工珊瑚礁

3D打印技术可以造福自然。 自沉退役海军和商船的做法为海底生​​物的繁荣提供了避风港，因为它们的许多角落和缝隙提供了多样化的栖息地。 本着同样的精神，xtree（YRYS House 概念住宅背后的公司）于 2017 年为法国南部海岸的一个海洋国家公园创建了一个 3D 打印的人工鱼礁。

结构中不规则的隧道促进了鱼类、软体动物、珊瑚和藻类的生长，这些动物在 20 世纪 70 年代因城市污水失去栖息地后开始减少。 如今，健康的海洋生物已返回该地区。

XtreeE 和 Seaboost 在多孔混凝土“珊瑚礁”中模拟了不规则的隧道形状，以鼓励重新安置的海洋物种返回。

展馆

总部位于田纳西州的 Branch Technology 受到生物学的启发，正在使用 3D 打印来建造一些有史以来最大的结构。

该公司的流程采用任何基于软件的 3D 建筑模型，并将其转化为自由形式的晶格结构，可以进行 3D 打印并用作传统材料的模板。 2018年，该公司为纳什维尔娱乐区生产了历史上最大的3D打印物体，一个42英尺长的贝壳形演奏台。

该设计模仿了生物体在细胞水平上形成和生长活组织的方式。 3D打印的“外壳”是外部上层建筑； 然后使用传统的建筑材料（类似于细胞内的血液、水、血浆等）来增强结构的强度和用途。

纳什维尔的 OneC1TY 3D 打印网状带壳结构可承受高达 1 英尺的积雪和 90 英里/小时的风速。

3D打印真的是未来吗？简短回答：是的

需要很长时间才能破坏并最终推翻现有的建筑实践以及遵守这些实践的行业参与者。 与类似的运动一样，3D 打印结构不是技术问题；而是技术问题。 它涉及政治和经济领域。

但在某种程度上，3D 打印建筑变得比传统建筑方法更便宜，这是一个神奇的时刻，因为它是一种更安全、更快、对环境影响更小的过程。

建筑行业正在非常仔细地关注这一点，一旦达到这一目标，该行业将开始迅速转型，企业、组织和政府竞相保持领先地位。