3D打印如何緩解建筑業(yè)的社會(huì)、氣候和環(huán)境挑戰(zhàn)？

導(dǎo)讀：建筑業(yè)目前面臨著一把三刃劍，全球住房短缺、缺乏經(jīng)驗(yàn)豐富的工人以及到2050年要實(shí)現(xiàn)碳中和的急切目標(biāo)。行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者必須利用他們的經(jīng)驗(yàn)提供可持續(xù)的解決方案，快速采取行動(dòng)以平衡不斷增長的人口。然而，如果沒有完整的團(tuán)隊(duì)，就很難提供專業(yè)知識(shí)和速度。在這個(gè)需要用城市化建筑來對(duì)抗高碳傳統(tǒng)建筑方法的時(shí)代，一項(xiàng)新技術(shù)為這種情況提供了解決方案，那就是3D打印建筑。



2021 年，3D打印市場(chǎng)價(jià)值138.4 億美元，預(yù)計(jì) 2022 年至 2030 年的復(fù)合年增長率為 20.8%。目前，3D 打印硬件領(lǐng)域處于市場(chǎng)領(lǐng)先地位，通過在支持經(jīng)濟(jì)適用房、快速工業(yè)化、發(fā)展民用基礎(chǔ)設(shè)施、更安全的城市化和優(yōu)化勞動(dòng)力成本方面的兼容性，3D 打印硬件占全球收入的 60% 以上。

全球建筑行業(yè)可以從3D打印建筑中獲得益處。比如，3D打印可減少浪費(fèi)并減少溫室氣體對(duì)環(huán)境的有害影響，同時(shí)不會(huì)影響工人的時(shí)間和安全。下面，就請(qǐng)跟隨南極熊一起讓看看3D打印建筑在實(shí)際應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)吧。

減少浪費(fèi)，增加房屋
由于通貨膨脹和房價(jià)高等原因，世界各地的流浪人口持續(xù)增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅在哥倫比亞，平均每天就有近500萬無家可歸者�？梢哉f，目前沒有足夠的永久性、經(jīng)濟(jì)性的住房。

基于上述原因，浪費(fèi)資源越來越不可取。與銑削或激光切割等其他減材生產(chǎn)技術(shù)相比，3D打印僅使用將設(shè)計(jì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)所需的確切材料量，3D 打印的增材特性逐層構(gòu)建組件，產(chǎn)生的廢料更少。所以，3D打印能夠通過減少浪費(fèi)向更多人提供更少的材料來解決與資源稀缺的問題。


△Serendix Partners在不到 24 小時(shí)內(nèi) 3D 打印的緊急避難所概念圖。圖片由 Serendix Partners 提供。

3D 打印的增材制造過程能夠創(chuàng)建更復(fù)雜的形狀、更快地構(gòu)建對(duì)象并降低勞動(dòng)力成本。它還可以在難以到達(dá)的貧困地區(qū)建造房屋，日本已經(jīng)在23小時(shí)12分鐘內(nèi)建立了應(yīng)急住房模型。事實(shí)證明，3D 打印能夠比傳統(tǒng)技術(shù)更快、更經(jīng)濟(jì)地建造單戶住宅。在美國，建造房屋的平均成本約為282,000 美元，使用 3D 打印混凝土制作相同的設(shè)計(jì)可以將成本降低 20-40%。

減少碳足跡
除了社會(huì)住房問題和快速建設(shè)之外，建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)者還必須考慮他們對(duì)氣候的影響。獨(dú)立的3D打印不會(huì)消除二氧化碳 (CO2) 排放，但通過更智能的城市規(guī)劃、替代材料的使用和廢物減少，這項(xiàng)技術(shù)減少碳排放的潛力是巨大的。


△“世界上最大的”3D 打印混凝土房屋，使用 COBOD 技術(shù)和 D.fab 混凝土材料制成。圖片由 COBOD 提供。

2021年12月，人們已經(jīng)建造了世界上最大的 3D 打印混凝土建筑，超過 99.5% 的材料來自當(dāng)?shù)�。這不僅導(dǎo)致二氧化碳排放量大幅減少，而且還意味著成本的節(jié)約。這座190平方米房屋墻壁的3D打印材料總成本為1600歐元，僅為使用傳統(tǒng)材料和方法成本的 8%。

過去，在偏遠(yuǎn)地區(qū)建設(shè)需要將大量機(jī)械和資源從城市運(yùn)輸?shù)睫r(nóng)村地區(qū)，在建設(shè)開始之前就排放了大量的溫室氣體。由于3D打印系統(tǒng)是便攜式和可移動(dòng)的，因此該技術(shù)適用于異地、預(yù)制生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，無需頻繁搬運(yùn)。

在城市外圍進(jìn)行建筑時(shí)，異地3D打印會(huì)發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。最大限度地減少施工團(tuán)隊(duì)需要行駛的距離可以減少產(chǎn)生的二氧化碳�？拷�市中心的建筑意味著未來居民的通勤時(shí)間更短，汽油排放量也更低。對(duì)于地形復(fù)雜的許多區(qū)域，如果沒有更靈活的 3D 打印解決方案的支持，這些位置可能無法到達(dá)。


△3D 打印的后院工作室。圖片由 Azure Printed Homes 提供。

此外，還有不同的研究和項(xiàng)目正在進(jìn)行，旨在將廢物（例如再利用塑料）與 3D 打印材料結(jié)合起來，以鼓勵(lì)和加速循環(huán)經(jīng)濟(jì)。智能設(shè)計(jì)和先進(jìn)的 3D 打印技術(shù)為在具有挑戰(zhàn)性的景觀中建造城市打開了大門，同時(shí)降低了碳足跡并降低了成本，從而為有需要的人增加了經(jīng)濟(jì)適用房的數(shù)量。

保護(hù)工人和環(huán)境
2020 年，建筑業(yè)顯示每 10 萬人中約有10人遭受致命工傷。3D打印技術(shù)不僅最大限度地減少了支持氣候變化工作的浪費(fèi)，而且也能改善工作條件。打印系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)意味著設(shè)計(jì)人員可以通過自動(dòng)化流程生產(chǎn)數(shù)字模型的精確復(fù)制品，幾乎不需要人工輸入或監(jiān)督，這減少工人受傷和勞動(dòng)力成本。


△WASP 的 TECLA 3D 打印房屋，使用原始地球材料制成。圖片由 WASP 提供。

最新打印技術(shù)使復(fù)雜的設(shè)計(jì)成為可能，這也促使建筑團(tuán)隊(duì)嘗試使用有機(jī)、可持續(xù)和可再生材料，例如生土房屋和竹復(fù)合結(jié)構(gòu)。與更常用的樹木相比，竹子每公頃多吸收約 35% 的二氧化碳，是一種不需要化肥或殺蟲劑的天然有機(jī)產(chǎn)品。雖然生土是碳中和的，但它需要數(shù)字制造才能最大限度地提高粘土材料的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量。盡管生土的耐久性存在爭議，但市場(chǎng)上也出現(xiàn)了一些解決方案，可以使用 99% 的本地可用材料，用真正的混凝土進(jìn)行打印。

3D 打印可以創(chuàng)建盡可能高效的定制基礎(chǔ)設(shè)施。憑借結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的更大靈活性，建筑師可以制定巧妙的計(jì)劃，將可持續(xù)材料無縫結(jié)合、保留熱量、降低能源消耗，并創(chuàng)造合理空間結(jié)構(gòu)，讓殘疾人能夠舒適地生活。

3D 打印采用智能設(shè)計(jì)和分層制造方法，可以減少材料使用，以更少的成本構(gòu)建更多的東西，并且沒有性能折衷。傳統(tǒng)上，狹窄的城市空間和復(fù)雜的環(huán)境限制了安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)設(shè)施的可用性，而3D打印正在引領(lǐng)潮流。它支持建筑公司在不影響工人安全和現(xiàn)場(chǎng)條件的情況下設(shè)計(jì)更環(huán)保的建筑�？偟膩碚f，3D打印提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活性和建筑材料的擴(kuò)展性，正打破當(dāng)今可持續(xù)建筑和傳統(tǒng)建筑的界限。