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

導讀：建筑業(yè)目前面臨著一把三刃劍，全球住房短缺、缺乏經(jīng)驗豐富的工人以及到2050年要實現(xiàn)碳中和的急切目標。行業(yè)領導者必須利用他們的經(jīng)驗提供可持續(xù)的解決方案，快速采取行動以平衡不斷增長的人口。然而，如果沒有完整的團隊，就很難提供專業(yè)知識和速度。在這個需要用城市化建筑來對抗高碳傳統(tǒng)建筑方法的時代，一項新技術為這種情況提供了解決方案，那就是3D打印建筑。



2021 年，3D打印市場價值138.4 億美元，預計 2022 年至 2030 年的復合年增長率為 20.8%。目前，3D 打印硬件領域處于市場領先地位，通過在支持經(jīng)濟適用房、快速工業(yè)化、發(fā)展民用基礎設施、更安全的城市化和優(yōu)化勞動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打印可減少浪費并減少溫室氣體對環(huán)境的有害影響，同時不會影響工人的時間和安全。下面，就請跟隨南極熊一起讓看看3D打印建筑在實際應用方面的優(yōu)勢吧。

減少浪費，增加房屋
由于通貨膨脹和房價高等原因，世界各地的流浪人口持續(xù)增加。據(jù)統(tǒng)計，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)濟性的住房。

基于上述原因，浪費資源越來越不可取。與銑削或激光切割等其他減材生產(chǎn)技術相比，3D打印僅使用將設計變?yōu)楝F(xiàn)實所需的確切材料量，3D 打印的增材特性逐層構建組件，產(chǎn)生的廢料更少。所以，3D打印能夠通過減少浪費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 小時內 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)建更復雜的形狀、更快地構建對象并降低勞動力成本。它還可以在難以到達的貧困地區(qū)建造房屋，日本已經(jīng)在23小時12分鐘內建立了應急住房模型。事實證明，3D 打印能夠比傳統(tǒng)技術更快、更經(jīng)濟地建造單戶住宅。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計可以將成本降低 20-40%。

減少碳足跡
除了社會住房問題和快速建設之外，建設領導者還必須考慮他們對氣候的影響。獨立的3D打印不會消除二氧化碳 (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，這項技術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?shù)�。這不僅導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，在偏遠地區(qū)建設需要將大量機械和資源從城市運輸?shù)睫r(nóng)村地區(qū)，在建設開始之前就排放了大量的溫室氣體。由于3D打印系統(tǒng)是便攜式和可移動的，因此該技術適用于異地、預制生產(chǎn)和現(xiàn)場應用，無需頻繁搬運。

在城市外圍進行建筑時，異地3D打印會發(fā)揮其優(yōu)勢。最大限度地減少施工團隊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間更短，汽油排放量也更低。對于地形復雜的許多區(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。


△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目正在進行，旨在將廢物（例如再利用塑料）與 3D 打印材料結合起來，以鼓勵和加速循環(huán)經(jīng)濟。智能設計和先進的 3D 打印技術為在具有挑戰(zhàn)性的景觀中建造城市打開了大門，同時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)濟適用房的數(shù)量。

保護工人和環(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打印技術不僅最大限度地減少了支持氣候變化工作的浪費，而且也能改善工作條件。打印系統(tǒng)的機械系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)意味著設計人員可以通過自動化流程生產(chǎn)數(shù)字模型的精確復制品，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。

最新打印技術使復雜的設計成為可能，這也促使建筑團隊嘗試使用有機、可持續(xù)和可再生材料，例如生土房屋和竹復合結構。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準產(chǎn)量。盡管生土的耐久性存在爭議，但市場上也出現(xiàn)了一些解決方案，可以使用 99% 的本地可用材料，用真正的混凝土進行打印。

3D 打印可以創(chuàng)建盡可能高效的定制基礎設施。憑借結構設計的更大靈活性，建筑師可以制定巧妙的計劃，將可持續(xù)材料無縫結合、保留熱量、降低能源消耗，并創(chuàng)造合理空間結構，讓殘疾人能夠舒適地生活。

3D 打印采用智能設計和分層制造方法，可以減少材料使用，以更少的成本構建更多的東西，并且沒有性能折衷。傳統(tǒng)上，狹窄的城市空間和復雜的環(huán)境限制了安全穩(wěn)定的基礎設施的可用性，而3D打印正在引領潮流。它支持建筑公司在不影響工人安全和現(xiàn)場條件的情況下設計更環(huán)保的建筑。總的來說，3D打印提高了結構設計靈活性和建筑材料的擴展性，正打破當今可持續(xù)建筑和傳統(tǒng)建筑的界限。