3D打印房屋，建筑行业的变革

魔猴君知识堂 220天前

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2004年，南卡罗来纳大学的Behrokh Khoshnevis教授开创了混凝土墙3D打印技术。建筑行业真正标志性的创新是它的Contour Crafting技术，该技术使得在短短20小时内以完全自动化的方式建造房屋成为可能。该教授开发了一种安装在机械臂上的FDM型3D打印机，能够挤出混凝土而不是塑料，从而从3D模型中创建层。Behrokh Khoshnevis很快展示了增材制造在建筑领域的优势：降低成本和浪费、提高生产速度、减少工作场所事故以及创建复杂形状的可能性。他的研究标志着建筑3D打印的开始，为房屋3D打印铺平了道路。

建筑行业领导者开始充分认识到3D技术的巨大潜力及其对该领域未来的影响。根据Precedence Research最近进行的市场研究，预计到2034年，建筑市场3D打印将达到14,181.6亿美元，年增长率为65%。这种扩张并不是偶然的结果：越来越多的公司正在采用这种技术来开发项目。其中一些项目具有未来感，而另一些项目已经实现，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。建筑领域的3D打印正在高速发展，融合了各种技术和材料，具有众多优势。但这项技术实际上意味着什么？对该行业有何好处？未来前景如何？要了解更多信息，请继续阅读本文。

图1：轮廓工艺的首次开发。

目前建筑行业有哪些3D打印工艺？

机械臂挤压材料

Contour Crafting方法标志着3D打印在建筑领域的首次亮相。此过程涉及沉积建筑材料以形成3D模型，从而可以创建具有光滑表面光洁度的大型结构。建筑物地板周围安装有导轨，作为机械臂的引导。该手臂前后移动以逐层涂抹混凝土。放置在喷嘴两侧和上方的固定桨使挤出层变平，确保足够的强度。传统混凝土无法用于此过程，因为它无法支撑自身重量。因此，使用了一种特定的混凝土，它可以更快地硬化并允许更快的配置。

图2：使用机械臂进行3D打印。

该领域不同参与者使用和开发的技术非常相似，都基于相同的基本原理：材料挤出。例如，法国的Constructions-3D公司设计了一种移动极地机器，能够直接在建筑工地、正在建造的建筑物的中心进行打印。该机器易于运输且适应性强，由机械底座和配备公司开发的挤出机喷嘴的机械臂组成。该臂的打印面积为150平方米，打印高度可达7米。

一些公司选择专注于混凝土以外的材料的挤出，同时保持相同的技术原理。一个例子是获得专利的BatiPrint 3D工艺，该工艺是南特大学、Bouygues Construction和Lafarge Holcim合作开发的。该工业机器人直接在现场放置三层材料：两层膨胀聚合物泡沫和一层混凝土。南特大学教授伯努瓦·福雷(Benoit Furet)解释说：“泡沫提供隔热和隔音作用，而混凝土则增强结构，从而使其具有抗震性能”。

图3：BatiPrint增材制造技术的开发

砂层交界处

在欧洲，意大利人Enrico Dini使用他的D-Shape 3D打印机开发了一种工艺。该系统基于粉末的使用，粉末通过“墨水”形式的粘合剂固化。在此过程中，沙子或骨料层沉积到所需的厚度，然后配备300个喷嘴的打印头沉积粘合剂液滴，从而使沙子硬化。该机器呈立方体形状，尺寸为4 x 4米，能够创建最大6立方米的大型结构。

固体结构用金属

荷兰公司MX3D开发了一种创新的施工方法WAAM（电弧增材制造），该方法允许使用6轴机器人制造金属结构。该机器人每小时可沉积2公斤材料，这使得该技术特别适合建筑中金属结构复杂而细致的焊接工作。

为了开发他们的技术，MX3D与液化空气集团和安赛乐米塔尔合作。该机器人配备了焊机和喷嘴，可以将金属棒逐层焊接。该工艺与多种金属合金兼容，例如不锈钢、青铜、铝或铬镍铁合金。简而言之，它是一台“巨型焊机”：“我们将工业机器人与焊接机结合在一起，从而将其转变为可与我们自己的软件配合使用的3D打印机，”该团队解释道。

图4：MX3D机械臂

为什么在建筑中使用3D打印？

3D打印混凝土的主要优点之一是可以节省大量时间。事实上，3D打印可以减少70%的施工时间，同时减少施工现场的风险和事故。Benoit Furet解释道：“减少困难和风险是现实，我们在没有脚手架的情况下建造了3.8 m高的墙。此外，我们注意到施工现场非常安静。»他的团队成功3D打印了一座95平方米的房屋，这将是该市第一座3D打印的社会住房。据他介绍，BatiPrint技术还有助于以更低的成本创建弯曲形状，并提供工作自动化：3D打印机可以连续工作直到项目结束，从而显着减少等待时间。

与传统施工方法相比，在建筑中使用3D打印的另一个好处是减少材料使用。与减材工艺不同，材料的逐渐添加限制了对环境的影响，并且产生的废物很少，这主要归功于拓扑优化。XtreeE联合创始人Romain Duballet强调：“通过几何控制，可以设计优化的形状，从而减少所需材料的数量。»当我们考虑到混凝土是地球上仅次于水的最常用资源之一时，这一优势就显得更加重要。

图5：由法国公司XtreeE创建的结构

3D打印在建筑领域面临的主要挑战之一是缺乏明确的标准来认证打印结构。Constructions-3D公司经理Axel Thery解释道：“主要困难来自于3D打印尚未被认为是一种符合现行规范和标准的施工方法。由于印刷结构是非传统的，因此很难评估其长期强度。这就是为什么用于居住的建筑必须在一开始就逐步进行测试。»

然而，一些国家开始考虑制定标准，将该技术整合到建筑领域。例如，在迪拜，阿联酋当局计划到2030年使用3D技术建造25%的新建筑。

一方面，增材制造创造了许多就业机会，但建筑工人呢？房屋3D打印和施工过程自动化是否会让许多工作岗位变得过时？在建筑工地操作3D打印机需要哪些技能？3D混凝土打印专家一致认为，这项技术将改变这些职业，但不会消除它们。我们正在见证职业概况的变化。Benoit Furet解释道：“职业将会不断发展，从建筑师到石匠，再到石工操作员。最终，整个数字化过程变得更加简单，建筑专业人员将扮演数字泥瓦匠和机器人控制器的角色。»

图6：3D打印房屋会改变目前的工作吗？

住房危机的解决方案？

3D打印使更快地创建结构成为可能，可以通过提供更快建造的经济适用住房来提供应对住房危机的理想解决方案。一些公司已经为此目的采用了这项技术，例如意大利的WASP，它渴望通过3D打印建立一个更加可持续的世界。该公司开发了世界上最大的3D打印机之一，能够使用当地材料和太阳能、风能或水力等可再生能源建造房屋。这使得即使是没有电力的地区也可以利用当地资源创建生态结构。

图7：意大利公司WASP的开发。

一些国家正在考虑将3D打印作为住房危机的解决方案。例如，在智利，比奥比奥大学和ANID合作的成果Casa Semilla项目最近启动。这一举措是在该国超过50万人遭受住房短缺之际提出的。这座房子仅用了29小时就建成了，既抗震、耐用，又能适应智利的不同地区，从而为解决住房问题提供了创新且可行的解决方案。

虽然增材制造可以为地球的住房危机提供解决方案，但它也可以在太空探索中发挥关键作用，包括在太空建造房屋。这个想法已经在NASA的“3D打印栖息地挑战”中得到了探索，该挑战旨在设计能够在月球或火星上建造栖息地的技术。然而，在我们在太空中看到印刷结构之前，仍有许多障碍需要克服。