3D打印有望永远改变建筑并创造出让当今建筑脱颖而出的形式

在建筑中，新材料很少出现。几个世纪以来，木材、砖石和混凝土构成了地球上大多数结构的基础。在1880年代，钢架的采用永远改变了建筑。钢铁让建筑师能够设计出更高的建筑和更大的窗户，从而造就了今天定义城市天际线的摩天大楼。

自工业革命以来，建筑材料在很大程度上仅限于一系列大规模生产的元素。从钢梁到胶合板，这套标准化的零件套件为建筑物的设计和建造提供了150多年的信息。

随着所谓的“大规模增材制造”的进步，这种情况可能很快就会改变。自从采用钢框架以来，还没有出现具有改变建筑物构思和建造方式的巨大潜力的发展。

大型增材制造，如桌面3D打印，涉及一次构建对象的一层。无论是粘土、混凝土还是塑料，打印材料都以液态挤压并硬化成最终形状。

作为田纳西大学智能结构研究所所长，我有幸参与了一系列部署这项新技术的项目。

虽然这项技术的广泛采用仍然存在一些障碍，但我可以预见，在未来，建筑物将完全由回收材料或现场采购的材料建造，其形式受到自然几何形状的启发。

有前途的原型

其中包括TrilliumPavilion，这是一种由回收的ABS聚合物打印而成的露天结构，ABS聚合物是一种广泛用于消费品的常见塑料。

Tecla由当地采购的粘土制成。图片来源：MarioCucinellaArchitects

该结构的薄双曲面的灵感来自同名花朵的花瓣。该项目由学生设计，由LociRobotics印刷，并在诺克斯维尔切诺基农场的田纳西大学研究园内建造。

最近其他大规模增材制造的例子包括Tecla，这是一座450平方英尺(41.8平方米)的原型住宅，由MarioCucinellaArchitects设计，并在意大利马萨伦巴达小镇印刷。

建筑师们用取自当地河流的粘土打印出了Tecla。这种廉价材料和径向几何形状的独特组合创造了一种节能的替代住房形式。

回到美国，建筑公司LakeFlato与建筑技术公司ICON合作，为德克萨斯州奥斯汀的一座名为“零号住宅”的住宅打印混凝土外墙。

这座2,000平方英尺(185.8平方米)的房屋展示了3D打印混凝土的速度和效率，并且该结构在其曲线墙壁和外露木框架之间形成了令人愉悦的对比。

规划过程

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，建筑师为将要打印的所有组件创建计算机模型。然后，这些设计师可以使用软件来测试组件将如何响应结构力并相应地调整组件。这些工具还可以帮助设计人员弄清楚如何减轻组件的重量并使某些设计过程自动化，例如在打印之前平滑复杂的几何交叉点。

然后，一种称为切片器的软件将计算机模型转换为3D打印机的一组指令。

您可能会假设3D打印机的工作规模相对较小——想想手机壳和牙刷架。

机械臂使施工过程更加灵活。

但3D打印技术的进步使硬件能够以一种严肃的方式扩大规模。有时，打印是通过所谓的基于龙门架的系统完成的——类似于桌面3D打印机的矩形滑轨框架。越来越多地使用机械臂，因为它们能够在任何方向打印。

打印站点也可能不同。家具和较小的组件可以在工厂打印，而整个房屋必须在现场打印。

一系列材料可用于大规模增材制造。混凝土因其熟悉度和耐用性而成为一种流行的选择。粘土是一种有趣的替代品，因为它可以在现场收获——这正是Tecla的设计师所做的。

但塑料和聚合物可能具有最广泛的应用。这些材料的用途非常广泛，它们的配制方式可以满足各种特定的结构和美学要求。它们也可以由回收和有机衍生材料生产。

来自大自然的灵感

由于增材制造逐层构建，仅使用制造特定组件所需的材料和能量，因此它是一种比“减法”更有效的构建过程，“减法”涉及切除多余的材料——想想从树上铣出一根木梁.

即使是混凝土和塑料等常见材料也能从3D打印中受益，因为不需要额外的模板或模具。

如今，大多数建筑材料都是在专为生产相同部件而设计的装配线上大量生产的。在降低成本的同时，此过程几乎没有为定制留下的空间。

由于不需要工具、模具或模具，大规模增材制造让每个零件都独一无二，不会因增加复杂性或定制而浪费时间。

大规模增材制造的另一个有趣特征是能够生产具有内部空隙的复杂部件。有一天，这可能会允许在墙壁上打印已经到位的管道或管道系统。

此外，正在进行研究以探索多材料3D打印的可能性，这种技术可以将窗户、绝缘材料、结构加固——甚至布线——完全集成到单个打印组件中。

增材制造最让我兴奋的一个方面是使用缓慢硬化的材料逐层构建的方式，反映了自然过程，如壳的形成。

这打开了机会之窗，使设计人员能够实现使用其他构造方法难以生产但在自然界中很常见的几何形状。

受鸟类骨骼精细结构启发的结构框架可以创建轻质管格，不同尺寸反映作用在它们上的力。让人联想到植物叶子形状的立面可以设计为同时为建筑物遮阳并产生太阳能。

克服学习曲线

尽管大规模增材制造有许多积极的方面，但其更广泛采用仍存在许多障碍。

也许最大的挑战是它的新颖性。有一整套基础设施围绕传统建筑形式建造，如钢材、混凝土和木材，其中包括供应链和建筑规范。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具体设计技能尚未得到广泛教授。

为了让3D打印在建筑中得到更广泛的采用，它需要找到自己的定位。类似于文字处理如何帮助普及台式计算机，我认为这将是大规模增材制造的具体应用，这将导致其普遍使用。

也许这将是它打印高效结构框架的能力。我也已经看到了它创造独特的雕塑立面的前景，这些立面可以在使用寿命结束时回收和重印。

无论哪种方式，似乎某些因素的组合将确保未来建筑物的某些部分将是3D打印的。

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