3D打印技术：有望彻底改变传统建筑业

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建筑领域，新材料的应用一直相对较少。几个世纪以来，木材、砖石和混凝土一直是多数建筑的主要构建材料。19世纪80年代，钢结构的引入彻底改变了建筑行业。钢结构能够让建筑师设计出更高大的建筑物，例如城市里的摩天大楼。工业革命以来，建筑材料在很大程度上局限于一系列生产原料。无论钢梁还是胶合板，建筑设计和施工一直使用这种标准化的部件套件。

然而，随着"大规模增材制造"技术的进步，这种情况可能很快就会发生改变。自采用钢结构框架以来，还没有哪项技术像大规模增材制造一样改变对建筑物的设计和建造方式产生如此大的改变。

大规模增材制造和桌面3D打印一样，都是逐层构建物体。无论是粘土、混凝土还是塑料，打印材料都是以流体状态挤出，并在固化后形成最终的形状。虽然该技术在建筑业还未得到广泛应用，但建筑业现在呈现这种趋势，未来的建筑设计将从大自然中汲取灵感，建筑物将采用回收材料或就地取材进行建造。

▍3D打印建筑实例

其中，有一个名为"三叶草亭"的露天建筑，它是用回收的ABS聚合物打印而成。该建筑物的结构采用薄薄的双曲面设计，灵感来自于同名花朵的花瓣。该项目由田纳西大学的一个学生设计，由Loci Robotics公司进行打印，在位于诺克斯维尔切诺基农场的田纳西大学研究园建造。

近期，其他大规模增材制造案例还包括由Mario Cucinella建筑事务所设计的一个450平方英尺的住宅原型，该住宅在意大利的一个小镇Massa Lombarda进行打印。建筑师们使用当地河流中的粘土进行打印。这种廉价材料与独特的径向几何形状相结合，创造出一种节能的替代住房形式。

在美国，Lake Flato建筑公司与ICON建筑技术公司合作，为德克萨斯州奥斯汀的一座名为"Zero House"的住宅打印了混凝土外墙。这座占地2000平方英尺的住宅展示了3D打印混凝土的速度和效率，其曲线形墙壁与裸露的木质框架形成了对比。

▍建造过程

大规模增材制造涉及三个知识领域：数字设计、数字制造和材料科学。首先，建筑师需要为所有需要打印的部件创建计算机模型。然后，设计师可以使用软件测试组件对结构力的反应，对部件进行相应的调整。这些工具还可以帮助设计师找出如何减轻部件的重量，并在打印前自动完成一些设计过程，例如平滑复杂的几何交叉点。接下来，一款名为slicer的软件会将计算机模型转化为一套三维打印机指令。

人们普遍认为3D打印机的工作规模相对较小，例如手机壳和牙刷架。然而，随着3D打印技术的进步，硬件的规模已经大幅扩大。有时候，打印是通过龙门系统完成，这是一个由滑轨组成的矩形框架，类似于桌面3D打印机。由于机械臂能够在任何方向进行打印，因此机械臂已经被广泛使用。打印地也有所不同，家具和较小的部件可以在工厂进行打印，而整栋房屋则必须在现场打印。

大规模增材制造可以使用多种材料。混凝土因其熟悉性和耐用性而备受青睐。粘土是一种替代材料，可以在现场采集。然而，应用最为广泛的还是塑料和聚合物。这些材料的用途非常广泛，可以满足各种特定的结构和美学要求。除此之外，还可以使用回收材料和有机材料制造。

大规模增材制造的一大优势——逐层制造，只使用制造特定部件所需的材料和能源，因此比"减材制造"更为高效。减材制造需要切割掉多余的材料，就像从树上铣出一根木梁。即使是混凝土和塑料这种普通材料，也无需额外的模板或模具。

目前，大多数建筑材料都是在流水线上批量生产，这些流水线生产相同的部件。这种工艺虽然降低了成本，但无法定制。大规模增材制造不需要工具、模板或模具，每个部件都是独一无二的，不会因为增加复杂性或定制化而耽误时间。

大规模快速成型制造另一个有趣的地方是，能够生产具有内部空隙的复杂部件。未来，墙壁上的导管或管道系统也可能通过打印来实现。此外，研究人员目前正在研究多材料三维打印的可能性，这种技术可以将窗户、隔热材料、结构加固材料甚至电线完全集成到一个打印部件中。

增材制造使用缓慢硬化的材料逐层制造，这种方式反映了贝壳成形等自然过程。这为设计师提供了其他制造方法难以实现，但在自然界中常见的几何形状的机会。受鸟类骨骼细微结构启发的结构框架可以创造出轻质的管状晶格，不同尺寸的管子反映了作用在管子上的力。外墙的设计可以模仿植物叶子的形状，既能为建筑遮阳，又能产生太阳能。

▍3D打印建筑的前景

尽管大规模增材制造有许多优点，但其推广仍面临许多障碍。其中最大的障碍是其新颖性。在围绕传统建筑形式如钢材、混凝土和木材建造的基础设施中，存在着完整的供应链和建筑规范。此外，数字制造硬件的成本相对较高，使用这些新材料所需的设计尚未广泛传授。

为了使3D打印技术在建筑领域得到更广泛的应用，它需要找到自己的定位。就像文字处理帮助普及了台式电脑一样，大规模增材制造的特定应用将使其得到普遍使用。

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参考来源：

1. https://www.freethink.com/futurology/3d-printing-architecture