3D 打印如何颠覆建筑业

自西班牙在 2016 年开放首座 3D 打印人行桥以来，对打印建筑的推动似乎正在加速。上海为世界最长的打印混凝土桥梁举行了落成典礼，而首座打印钢桥也将在今年横跨阿姆斯特丹的一条运河。除了桥梁之外，首批可供出租的 3D 打印房屋——荷兰埃因霍温市的五栋球形建筑——应该会在今年夏季上市。

一些具有艺术性，甚至有些古怪的设计看起来像是建筑幻想。但一些专家认为，这些新颖的原型可能预示着建筑行业的重大转变。“建筑业在变革方面非常顽固，”美国海军陆战队 3D 打印行动负责人马修·弗里德尔上尉说。但“一旦我们证明 3D 打印在规模化建设方面的优势，它的采用速度将会迅速提高。”

在通常的桥梁建设中，熟练工人混合混凝土并将其倒入称为模板的胶合板模具中。相比之下，大型 3D 打印机从起重机或龙门架臂上的喷嘴中喷出速凝混凝土浆，这些臂在计算机的引导下在轨道上移动，逐层创建整个结构。建筑商无需为每个部件制作新的模板，而是可以重复使用一台打印机来创建各种项目。无需模板——或熟练工人来建造模板——打印机可以更快地开始工作，使用更少的材料和更少的人力。

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快速且随时随地设计和建造桥梁等设施，这显然引起了军方的兴趣，军方经常推出最终普及到商业主流的新技术。正是海军陆战队在美国创建了第一座 3D 打印桥梁，即去年年底在加利福尼亚州彭德尔顿营地建造的 32 英尺长的平桥。弗里德尔说，他们用传统方法所需时间的五分之一就完成了建造。

通常，士兵运输悬臂式移动桥梁，每座约 75 万美元，他们可以在以后组装起来跨越水面或崎岖地形。一台 3D 打印机的成本与其中一座桥梁单元的成本大致相同，军方仍然需要携带其组件到现场组装。但一旦运到，一台打印机可以生产多座桥梁、建筑物、墙壁和蓄水箱——部队在部署期间可能需要的任何东西。例如，海军陆战队还打印了一座足够容纳八名士兵的混凝土营房，他们可以使用它来代替集装箱式住房单元。

除了提供更大的灵活性外，这种选择还可以降低成本和劳动力。弗里德尔说，混凝土的成分很便宜，士兵可以在当地采购这些原材料。之后，他们的 3D 打印机可以在最少的人工输入下运行。“最终目标，”弗里德尔说，“是让一个人站在那里点击‘打印’。” 事实上，美国联合总承包商协会的一份报告称，一些公司正在考虑使用 3D 打印来帮助缓解劳动力短缺问题。

一些人认为，这些较低的成本可能会成为经济适用房的颠覆性因素。总部位于奥斯汀的建筑技术初创公司 Icon 最近推出了一款 3D 打印机，该公司声称该打印机可以在三天内建造一栋 2,000 平方英尺的家庭住宅，成本约为传统建筑方法的一半。Icon 表示，它计划在奥斯汀和拉丁美洲的多个地点建造经济适用房社区。“我们可以使用这种廉价机器来建造房屋的想法非常令人兴奋，特别是对于人道主义救援任务，”弗里德尔说。“我看到了它与住房市场的直接关联。”

虽然房屋建筑业的需求与军事或救援任务的需求（在偏远地区快速组装桥梁或营房）不同，但它仍然可以从节省时间、劳动力和建筑材料的建筑方法中受益。最重要的是，打印可以实现使用传统方法难以实现的复杂设计。例如，弗里德尔说，海军陆战队打印营房的弯曲墙壁比典型的直墙壁坚固 2.5 倍，但以通常的方式（用单独的混凝土砌块）建造这些弯曲墙壁将比打印它们困难得多且耗时得多，他说。

这种复杂的设计可以使建筑师使用更少的材料。以西班牙的第一座打印桥梁为例，它类似于缠绕的藤蔓：这种图案在使用最少的水泥的情况下提供了尽可能高的强度。“通过将材料精确地放置在您想要的位置，您可以减少消耗和浪费，”伦敦帝国理工学院结构工程学教授勒罗伊·加德纳说。布鲁内尔大学研究人员的一项研究表明，与典型的建筑技术相比，3D 打印可以减少高达 30% 的材料浪费，并减少能源消耗和减少二氧化碳排放。

“显然，这是一项具有巨大潜力的有趣技术，”麻省理工学院环境友好制造研究小组负责人蒂莫西·古托夫斯基说。但是，他说，有必要进行更系统的研究，以比较 3D 打印技术和传统技术在结构整个生命周期（从原材料到寿命终止）中的环境影响。

例如，今天的大多数 3D 打印机都使用混凝土进行建造——根据国际能源署的数据，混凝土占地球二氧化碳排放量的 7%。为了解决这个问题，一些开发商正在研究更可持续的替代品：2016 年，一家荷兰建筑公司用可持续生物塑料打印了一个微型 86 平方英尺的小屋，2017 年，香港大学演示了 3D 打印的赤土陶土砖。

古托夫斯基还警告说，所谓的成本和材料使用量减少可能会成为经济学中使用的术语“反弹效应”的牺牲品：例如，如果某样东西运行所需的能源更少，人们就会更多地运行它，从而抵消能源节省。3D 打印房屋在理论上可能会减少材料使用量——但这可能会鼓励建筑商建造更大的房屋。当“富裕的人开始在他们的房屋上增加附楼或建造度假屋”时，好处就会被稀释，古托夫斯基说。

尽管存在障碍，但在过去五年中，依赖 3D 打印的建筑项目数量持续增加。兴趣的爆发是“建筑行业正在进行的数字化转型”的标志，埃因霍温理工大学的混凝土技术教授西奥·萨莱特说，他正在指导荷兰为出租房屋进行打印的项目。

然而，这项技术仍然很年轻，需要更多的开发才能获得更广泛的应用。麻省理工学院的计算建筑师斯凯勒·蒂比茨说，在可预见的未来，打印巨型桥梁或摩天大楼不会真的像按下按钮那么容易。在这种规模下工作的打印机仍然速度慢且价格昂贵。而且就目前而言，它们一次只能生产一种材料，因此建筑商仍然必须手动集成门、窗、电线和管道。事实上，除了海军陆战队旨在实现快速现场施工的项目外，大多数现有的桥梁和房屋都是分部件打印的，然后由人工组装。

蒂比茨说，就目前而言，建筑行业可能会使用 3D 打印来批量生产模块化组件，这些组件仍然需要人工组装。打印机也可能用于建造具有独特设计的结构或用复杂的建筑细节装饰它们。“打印，”蒂比茨说，“是您可以和谐利用以创建建筑物和产品的众多工具之一。”