House Zero в Остине, штат Техас, представляет собой дом площадью 2,000 квадратных футов, построенный из бетона, напечатанного на 3D-принтере. Озеро Флато Архитекторы

В архитектуре редко появляются новые материалы.

На протяжении веков дерево, каменная кладка и бетон составляли основу большинства сооружений на Земле.

В 1880-х годах принятие Стальная рама навсегда изменила архитектуру. Сталь позволила архитекторам проектировать более высокие здания с большими окнами, что привело к появлению небоскребов, которые сегодня определяют горизонты городов.

Со времен промышленной революции строительные материалы в значительной степени ограничивались рядом элементов массового производства. Этот стандартизированный набор деталей, от стальных балок до фанерных панелей, используется при проектировании и строительстве зданий уже более 150 лет.

Это может вскоре измениться с достижениями в том, что называется «крупномасштабное аддитивное производство». С момента принятия стального каркаса не было разработки с таким большим потенциалом, чтобы изменить способ проектирования и строительства зданий.

Крупномасштабное аддитивное производство, такое как настольная 3D-печать, предполагает построение объектов по одному слою за раз. Будь то глина, бетон или пластик, печатный материал экструдируется в жидком состоянии и затвердевает, принимая свою окончательную форму.

Как директор Институт умных конструкций в Университете Теннесси мне посчастливилось работать над серией проектов, использующих эту новую технологию.

Хотя некоторые препятствия на пути широкого внедрения этой технологии все еще существуют, я могу предвидеть будущее, в котором здания будут построены полностью из переработанных материалов или материалов, полученных на месте, с формами, вдохновленными геометрией природы.

Перспективные прототипы

Среди них павильон Триллиум, структура под открытым небом, напечатанная из переработанного АБС-полимер, обычный пластик, используемый в широком спектре потребительских товаров.

Тонкие двойные изогнутые поверхности конструкции были вдохновлены лепестками его одноименный цветок. Проект был разработан студентами, напечатан Loci Robotics и построен в Исследовательском парке Университета Теннесси на ферме Чероки в Ноксвилле.

Другие недавние примеры крупномасштабного аддитивного производства включить Текла, прототип жилища площадью 450 квадратных футов (41.8 квадратных метра), спроектированный студией Mario Cucinella Architects и напечатанный в Масса-Ломбарда, маленьком городке в Италии.

Текла была построена из местной глины. Марио Кучинелла Архитекторы

Архитекторы напечатали Tecla из глины, добытой из местной реки. Уникальное сочетание этого недорогого материала и радиальной геометрии позволило создать энергоэффективную форму альтернативного жилья.

Вернувшись в США, архитектурная фирма Lake Flato в партнерстве со строительной технологической фирмой ICON напечатала бетонные наружные стены для дома, получившего название «Дом Зеро” в Остине, штат Техас.

Дом площадью 2,000 квадратных футов (185.8 квадратных метра) демонстрирует скорость и эффективность бетона, напечатанного на 3D-принтере, а структура демонстрирует приятный контраст между криволинейными стенами и открытым деревянным каркасом.

Процесс планирования

Крупномасштабное аддитивное производство включает в себя три области знаний: цифровой дизайн, цифровое производство и материаловедение.

Для начала архитекторы создают компьютерные модели всех компонентов, которые будут напечатаны. Затем эти проектировщики могут использовать программное обеспечение, чтобы проверить, как компоненты будут реагировать на структурные силы, и соответствующим образом настроить компоненты. Эти инструменты также могут помочь дизайнеру понять, как уменьшить вес компонентов и автоматизировать определенные процессы проектирования, такие как сглаживание сложных геометрических пересечений перед печатью.

Часть программного обеспечения известный как слайсер затем переводит компьютерную модель в набор инструкций для 3D-принтера.

Вы можете предположить, что 3D-принтеры работают в относительно небольших масштабах. чехлы для мобильных телефонов и держатели для зубных щеток.

Но достижения в технологии 3D-печати позволили аппаратному обеспечению серьезно масштабироваться. Иногда печать выполняется с помощью так называемого портальная система – прямоугольная рамка из выдвижных направляющих, похожая на настольный 3D-принтер. Все чаще, роботизированные руки используются из-за их способности печатать в любой ориентации.

Роботизированные руки обеспечивают большую гибкость в процессе строительства.

Место печати также может быть разным. Мебель и мелкие детали можно печатать на фабриках, а целые дома нужно печатать на месте.

Для крупномасштабного аддитивного производства можно использовать ряд материалов. Бетон является популярным выбором из-за его привычности и долговечности. Глина — интригующая альтернатива, потому что ее можно собирать на месте, что и сделали дизайнеры Tecla.

Но пластмассы и полимеры могут иметь самое широкое применение. Эти материалы невероятно универсальны, и их можно приготовить таким образом, чтобы они соответствовали широкому спектру конкретных структурных и эстетических требований. Они также могут быть изготовлены из переработанных и органических материалов.

Вдохновение от природы

Поскольку аддитивное производство строит слой за слоем, используя только материалы и энергию, необходимые для изготовления конкретного компонента, это гораздо более эффективный процесс строительства, чем «вычитательные методы», которые включают в себя обрезку лишнего материала — например, фрезерование деревянной балки из дерева.

Даже обычные материалы, такие как бетон и пластмассы, выигрывают от 3D-печати, поскольку нет необходимости в дополнительной опалубке или пресс-формах.

Большинство строительных материалов сегодня производятся серийно на сборочных линиях, предназначенных для производства одних и тех же компонентов. При снижении стоимости, этот процесс оставляет мало места для настройки.

Поскольку нет необходимости в инструментах, формах или штампах, крупномасштабное аддитивное производство позволяет сделать каждую деталь уникальной без дополнительных затрат времени на дополнительную сложность или настройку.

Еще одна интересная особенность крупномасштабного аддитивного производства — возможность производить сложные компоненты с внутренними пустотами. Это может однажды позволить печатать стены с уже установленными кабелепроводами или воздуховодами.

Кроме того, проводятся исследования чтобы изучить возможности 3D-печати из нескольких материалов, метода, который может позволить полностью интегрировать окна, изоляцию, структурную арматуру и даже электропроводку в один печатный компонент.

Один из аспектов аддитивного производства, который меня больше всего волнует, — это то, как строительство слой за слоем из медленно затвердевающего материала отражает естественные процессы, такие как формирование оболочки.

Напечатанный на 3D-принтере дом в Шанхае, построенный менее чем за 24 часа из строительного мусора. Visual China Group / Getty Images

Это открывает окна возможностей, позволяя дизайнерам реализовывать геометрию, которую трудно создать с помощью других методов строительства, но которая является распространенной в природе.

Структурные каркасы вдохновлен тонкой структурой птичьих костей могли создавать легкие решетки из трубок с различными размерами, отражающими действующие на них силы. Фасады, которые вызывать формы листьев растений может быть спроектирован так, чтобы одновременно затенять здание и производить солнечную энергию.

Преодоление кривой обучения

Несмотря на множество положительных аспектов крупномасштабного аддитивного производства, существует ряд препятствий для его более широкого внедрения.

Возможно, самое большое, что нужно преодолеть, — это новизна. Существует целая инфраструктура, построенная вокруг традиционных форм строительства, таких как сталь, бетон и дерево, которые включают цепочки поставок и строительные нормы и правила. Кроме того, стоимость оборудования для цифрового производства относительно высока, а конкретные навыки проектирования, необходимые для работы с этими новыми материалами, еще не получили широкого распространения.

Чтобы 3D-печать в архитектуре получила более широкое распространение, ей необходимо найти свою нишу. Подобно тому, как обработка текста помогла популяризировать настольные компьютеры, я думаю, что это будет конкретное применение крупномасштабного аддитивного производства, которое приведет к его повсеместному использованию.

Возможно, это будет его способность печатать высокоэффективные структурные каркасы. Я также уже вижу его перспективы для создания уникальных скульптурных фасадов, которые можно перерабатывать и перепечатывать в конце срока службы.

В любом случае, представляется вероятным, что некоторая комбинация факторов обеспечит то, что будущие здания будут частично напечатаны на 3D-принтере.

Об авторе

Джеймс Роуз, директор Института интеллектуальных конструкций, Университет Теннесси

Эта статья переиздана из Беседа под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.