3D 列印如何顛覆建築業

自西班牙在 2016 年開放首座 3D 列印人行橋以來，對列印建築的推動似乎正在加速。上海為世界最長的列印混凝土橋樑舉行了落成典禮，而首座列印鋼橋也將在今年橫跨阿姆斯特丹的一條運河。除了橋樑之外，首批可供出租的 3D 列印房屋——荷蘭埃因霍溫市的五棟球形建築——應該會在今年夏季上市。

一些具有藝術性，甚至有些古怪的設計看起來像是建築幻想。但一些專家認為，這些新穎的原型可能預示著建築行業的重大轉變。“建築業在變革方面非常頑固，”美國海軍陸戰隊 3D 列印行動負責人馬修·弗裡德爾上尉說。但“一旦我們證明 3D 列印在規模化建設方面的優勢，它的採用速度將會迅速提高。”

在通常的橋樑建設中，熟練工人混合混凝土並將其倒入稱為模板的膠合板模具中。相比之下，大型 3D 印表機從起重機或龍門架臂上的噴嘴中噴出速凝混凝土漿，這些臂在計算機的引導下在軌道上移動，逐層建立整個結構。建築商無需為每個部件製作新的模板，而是可以重複使用一臺印表機來建立各種專案。無需模板——或熟練工人來建造模板——印表機可以更快地開始工作，使用更少的材料和更少的人力。

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快速且隨時隨地設計和建造橋樑等設施，這顯然引起了軍方的興趣，軍方經常推出最終普及到商業主流的新技術。正是海軍陸戰隊在美國建立了第一座 3D 列印橋樑，即去年年底在加利福尼亞州彭德爾頓營地建造的 32 英尺長的平橋。弗裡德爾說，他們用傳統方法所需時間的五分之一就完成了建造。

通常，士兵運輸懸臂式移動橋樑，每座約 75 萬美元，他們可以在以後組裝起來跨越水面或崎嶇地形。一臺 3D 印表機的成本與其中一座橋樑單元的成本大致相同，軍方仍然需要攜帶其元件到現場組裝。但一旦運到，一臺印表機可以生產多座橋樑、建築物、牆壁和蓄水箱——部隊在部署期間可能需要的任何東西。例如，海軍陸戰隊還列印了一座足夠容納八名士兵的混凝土營房，他們可以使用它來代替集裝箱式住房單元。

除了提供更大的靈活性外，這種選擇還可以降低成本和勞動力。弗裡德爾說，混凝土的成分很便宜，士兵可以在當地採購這些原材料。之後，他們的 3D 印表機可以在最少的人工輸入下執行。“最終目標，”弗裡德爾說，“是讓一個人站在那裡點選‘列印’。” 事實上，美國聯合總承包商協會的一份報告稱，一些公司正在考慮使用 3D 列印來幫助緩解勞動力短缺問題。

一些人認為，這些較低的成本可能會成為經濟適用房的顛覆性因素。總部位於奧斯汀的建築技術初創公司 Icon 最近推出了一款 3D 印表機，該公司聲稱該印表機可以在三天內建造一棟 2,000 平方英尺的家庭住宅，成本約為傳統建築方法的一半。Icon 表示，它計劃在奧斯汀和拉丁美洲的多個地點建造經濟適用房社群。“我們可以使用這種廉價機器來建造房屋的想法非常令人興奮，特別是對於人道主義救援任務，”弗裡德爾說。“我看到了它與住房市場的直接關聯。”

雖然房屋建築業的需求與軍事或救援任務的需求（在偏遠地區快速組裝橋樑或營房）不同，但它仍然可以從節省時間、勞動力和建築材料的建築方法中受益。最重要的是，列印可以實現使用傳統方法難以實現的複雜設計。例如，弗裡德爾說，海軍陸戰隊列印營房的彎曲牆壁比典型的直牆壁堅固 2.5 倍，但以通常的方式（用單獨的混凝土砌塊）建造這些彎曲牆壁將比列印它們困難得多且耗時得多，他說。

這種複雜的設計可以使建築師使用更少的材料。以西班牙的第一座列印橋樑為例，它類似於纏繞的藤蔓：這種圖案在使用最少的水泥的情況下提供了儘可能高的強度。“透過將材料精確地放置在您想要的位置，您可以減少消耗和浪費，”倫敦帝國理工學院結構工程學教授勒羅伊·加德納說。布魯內爾大學研究人員的一項研究表明，與典型的建築技術相比，3D 列印可以減少高達 30% 的材料浪費，並減少能源消耗和減少二氧化碳排放。

“顯然，這是一項具有巨大潛力的有趣技術，”麻省理工學院環境友好製造研究小組負責人蒂莫西·古托夫斯基說。但是，他說，有必要進行更系統的研究，以比較 3D 列印技術和傳統技術在結構整個生命週期（從原材料到壽命終止）中的環境影響。

例如，今天的大多數 3D 印表機都使用混凝土進行建造——根據國際能源署的資料，混凝土佔地球二氧化碳排放量的 7%。為了解決這個問題，一些開發商正在研究更可持續的替代品：2016 年，一家荷蘭建築公司用可持續生物塑膠列印了一個微型 86 平方英尺的小屋，2017 年，香港大學演示了 3D 列印的赤土陶土磚。

古托夫斯基還警告說，所謂的成本和材料使用量減少可能會成為經濟學中使用的術語“反彈效應”的犧牲品：例如，如果某樣東西執行所需的能源更少，人們就會更多地執行它，從而抵消能源節省。3D 列印房屋在理論上可能會減少材料使用量——但這可能會鼓勵建築商建造更大的房屋。當“富裕的人開始在他們的房屋上增加附樓或建造度假屋”時，好處就會被稀釋，古托夫斯基說。

儘管存在障礙，但在過去五年中，依賴 3D 列印的建築專案數量持續增加。興趣的爆發是“建築行業正在進行的數字化轉型”的標誌，埃因霍溫理工大學的混凝土技術教授西奧·薩萊特說，他正在指導荷蘭為出租房屋進行列印的專案。

然而，這項技術仍然很年輕，需要更多的開發才能獲得更廣泛的應用。麻省理工學院的計算建築師斯凱勒·蒂比茨說，在可預見的未來，列印巨型橋樑或摩天大樓不會真的像按下按鈕那麼容易。在這種規模下工作的印表機仍然速度慢且價格昂貴。而且就目前而言，它們一次只能生產一種材料，因此建築商仍然必須手動整合門、窗、電線和管道。事實上，除了海軍陸戰隊旨在實現快速現場施工的專案外，大多數現有的橋樑和房屋都是分部件列印的，然後由人工組裝。

蒂比茨說，就目前而言，建築行業可能會使用 3D 列印來批次生產模組化元件，這些元件仍然需要人工組裝。印表機也可能用於建造具有獨特設計的結構或用複雜的建築細節裝飾它們。“列印，”蒂比茨說，“是您可以和諧利用以建立建築物和產品的眾多工具之一。”