世界通讯！你想要一座3D打印的房子吗？建筑3D打印技术革命正在袭来

专家预测未来60年间将有30%的建筑无法及时建成,相当于每周建设一个斯德哥尔摩大小的城市。但是,建筑行业当前缺乏足够的人员和技能以所需速度提供基础设施和住房。如果我们可以将部分工作交给机器人呢?

3D水泥打印技术可以使用3D打印机创建各种结构,从桥梁到房屋和整个社区。巨大的3D打印机工作方式类似桌面打印机,但使用水泥而非墨水。机械臂根据数字蓝图逐层挤出水泥。

3D水泥打印吸引社交媒体关注,如美国Alquist 3D 的印刷主管Aiman Hussein的TikTok视频,展示3D水泥打印机建造房屋,获得数亿观看次数和60万粉丝。

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尽管看起来令人着迷,3D水泥打印的真正价值在于更快、更清洁、更环保的施工。

建筑业面临成本过高、低效和人才短缺问题。更重要的是,该行业导致二氧化碳排放量近40%和欧盟废物三分之一。 “如果要未来几十年内可持续且具成本效益地提供房屋和基础设施,需要彻底变革。”结构工程教授Rob Wolfs说。

Wolfs是3D水泥打印重要专家。 “这项技术可以解决建筑业面临的最大挑战。”他说。Wolfs带我们参观TU / e建筑环境系的地下实验室。里面有该系研发实验室和该校自己的3D水泥打印机。近十年该打印机用于改进3D打印技术,奠定许多商业项目的基础。

3D打印提供大规模定制能力,以前使用传统方法难以实现或成本高昂。想要定制化或复杂设计?3D打印提供这种设计自由度。“你真的可以让一切都是独一无二的,都是针对特定应用量身定制的。” Wolfs说。

关键是,3D打印是“添加剂”过程,逐层构建,只使用所需材料,可以减少30-60%浪费。该过程效率高,需要更少水泥。芬兰初创公司Hyperion Robotics声称其3D微型工厂可以减少75%水泥用量。如果水泥是国家,它将是第三大二氧化碳排放国,所以用得越少越好。

“机器人做艰苦工作,人就不必那么做。” 3D打印自动化许多建筑任务,如砌砖,减少现场人数。鉴于长期人才短缺,许多人认为自动化和机器人技术是以所需速度和规模提供基础设施的唯一解决方案。

“机器人不会抢走人的工作,” Wolfs说,“他们做脏活,让人做更安全熟练的工作。”自动化还提高速度和效率,一些3D打印公司声称24小时内可以打印整个房屋结构。

因此,建筑3D打印可以产生复杂设计,提高效率,减少浪费,提高可持续性和解决人才挑战。但它能否提供呢?

2021年,阿姆斯特丹退休夫妇成为欧洲埃因霍温首批3D打印房屋居民。他们的新家每月1400欧元租金,属五栋房屋中的第一栋,是TU / e、政府和建筑业合作验证和扩展3D建筑打印。房屋由24个独立混凝土部件组成,用卡车运到现场,螺栓固定,然后添加屋顶和框架,整个过程约120小时。合作伙伴目标是下一四栋房屋完全在现场3D打印。

Weber Beamix多年与TU / e密切合作,将研究推向市场。迄今打印各种结构:奈梅亨30米桥梁、卡塔尔9米鸽子塔和埃因霍温滑板公园。

但这只是开始。近年各地3D打印结构涌现,一些雄心勃勃项目进行中。2021年,德国第一栋3D打印房屋揭幕。2022年,一栋两层公寓由两人3D打印仅3小时,现五家居住。同年,法国3D打印初创公司XtreeE在兰斯成功建五栋社会住宅。

也许最雄心勃勃的是英格兰阿克林顿6万英镑的Charter Street计划,为无家可归退伍军人和低收入家庭提供46栋生态房屋,每个家庭几周内3D打印。该项目已获得全面规划许可,即将开工。

丹麦3D水泥打印机制造商COBOD与人道主义基金会Team4UA合作,对乌克兰一所学校3D打印。乌克兰自去年俄乌战争发生,已有两所学校遭破坏,希望3D水泥打印加速重建。

3D水泥打印不仅限于建筑,由于设计自由度,可打印楼梯、防波堤、化粪池甚至风力涡轮机基础。

COBOD首席执行官Henrik Lund-Nielsen表示,该技术在工业项目中有“最大收益”,而非住房。钢筋混凝土占项目很大一部分成本。

这些应用不仅限于地球。2022年5月,美国宇航局授予美国初创公司ICON 30万美元合同,开发3D打印技术在月球表面建造道路、发射台和房屋,作为美国宇航局阿尔忒弥斯计划的一部分,长期探索月球。ICON正在开发送到月球的大型3D打印机,使用月球材料而非水泥打印月球基地。

许多大公司进入3D建筑打印,吸引其潜在优势。COBOD声称是建筑业最大3D打印机供应商,得到许多全球工业巨头支持,包括通用电气最近建造世界最大增材建筑设施,3D打印风力涡轮机混凝土底座。

尽管迄今为止取得令人印象深刻的进展,据报告,全球仅有130栋已完成3D打印建筑。显然,建筑3D打印正在兴起,尽管真正潜力尚不明确。

“该技术出现约10年前,人们认为会3D打印各种东西,但事实并非如此。” Wolfs说。

Wolfs的见解致敬Gartner的炒作周期,描绘技术生命周期五个阶段。

约10年前,3D打印整体处于炒作阶段,期望过高。创业公司涌现,风投不断,预计3D打印机会忙于生产任何人想要或需要的一切。

然后2015年左右不可避免地进入“幻灭低谷”——技术缺陷出现,早期采用者遇到性能问题,投资回报率低。

今天,3D打印整体再次上升,扭结得到解决,早期采用者开始看到回报,技术成熟。然而,3D打印不同应用在Gartner炒作周期中的位置差异很大。

“如今几乎所有种植牙都是3D打印的。这项技术现在主流,证明它是最佳制造方式。” Wolfs说,“然而,在建设方面,我们还没有达到那里,甚至还不接近。”

围绕3D建筑打印的最大嗡嗡声可能是解决住房危机的潜力。鉴于世界各国面临住房短缺,支持者认为“一天内3D打印”的房屋可能是解决方案。Wolfs不太确定。

“3D打印本身不能解决住房危机——这个问题太复杂,不仅是技术问题,”他说,“用3D打印取代所有传统建筑方法也没有意义,但要找到3D打印真正有意义的应用。”

Wolfs指出两个关键领域可以推动3D建筑打印的“启蒙斜坡”:标准化技术和提高可持续性。

“我们必须找出方法评估和保证我们的印刷结构质量,并朝着这项技术的标准化迈进。它发展如此之快,以至于有可能以自己的方式进入。”他说。

3D打印房屋与传统房屋一样长久吗?发生火灾或自然灾害时,结构合理安全吗?由于该技术发展速度超过广泛使用的代码和标准的更新,制造商几乎无答案。

TU / e研究人员小规模测试强度和材料,以便更大范围验证,最终结果载入欧洲标准等。目前,3D水泥打印先驱只得希望设计符合为传统方法建造结构编写的建筑规范。

然后是可持续性方面。虽然3D建筑打印减少浪费,但严重依赖水泥。低排放水泥替代品规模化——如注入石墨烯或当地粘土制水泥替代品——将是确保3D打印满足其环境认证的关键。

所有这一切的关键是反复试验。随着研究推进,更多项目开工,大公司进入,3D建筑打印似乎只是时间问题。

尽管过去十年明显惯性,建筑业数字化转型正在全面展开,建筑信息模型(BIM)、数字孪生、无人机、机器人和区块链等技术帮助合同商更高效、更可持续交付结构。

展望未来,Wolfs预计,随着建筑自动化和数字化水平提高,3D打印将成为这个技术“工具箱”的一部分。

随着技术不断发展,将出现比以往任何时候都更大、更好、更强大的打印机。有一天,3D打印机甚至可能从同一个喷嘴打印多种材料,不仅可以建造水泥墙,还可以建造钢框架、窗户和隔热材料,一举扫荡。

未来的结构也可能由不同大小的3D打印机器人“团队”打印——一个大型打印机用于结构,多个较小打印机用于门窗等元素,以及成群的飞行3D打印无人机进行最后润色。

因此,建筑3D打印与其说是一场革命,不如说是一种进化。无论哪种方式,未来的建筑似乎都可能在某种程度上是3D打印的。

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