2021年10月27日
3d打印结构在交付之前必须成熟
贡献:艾米丽·k·施瓦茨，查尔斯·纽曼
我们已经看到了打印房屋的出现，但在未来，将3d打印技术用于创造大部分建筑环境的可行性有多大?3D打印机是否有可能自动建造数百甚至数千所房屋?3d打印建筑具有降低成本和加快建造时间的潜力。但要实现这一目标，需要在建筑和工程设计过程中进行一场革命。开云全站app登录官网入口下载
从建筑草图到3d打印建筑的BIM。图片:Charles Newman和Emily K. Schwartz
在现代建筑设计中，建筑师受到建筑表现工具的指导和约束。Revit是Autodesk的建筑信息建模(BIM)软件，它越来越多地塑造了建筑设计办公室的设计工作流程。该平台已被业界广泛采用，将场地限制、材料数据和建筑标准纳入基础、框架、干墙、壁板等规定的属性中。虽然该平台已被证明在协调复杂项目方面非常有用，但它仍然受到传统施工工艺假设的限制，限制了它在机械化、增材施工项目设计中的使用。
从Revit到3D打印机的唯一适当的工作流程首先需要设计师手动删除所有无关的元素，将模型蒸馏到只有那些要打印的元素。Revit不具备将文件导出为网格的能力;它也没有“切片”功能，将模型呈现为3D打印机的清晰数据。因此，设计必须从Revit导出到Autodesk的Inventor或Fusion 360中，在那里模型可以重新转换为网格文件类型(如STL)，然后切成一组打印机可以理解的指令(G-Code)。
这是印刷从开始到印刷成品的过程。图片来源:Nektor Media
除了设计数据的处理，设计师还必须考虑印刷设备的空间限制，结构的顺序，以及长丝的材料组成及其产生的结构考虑因素。黄蜂意大利一家3D打印和建筑公司，已经试用了一种“起重机”打印机，其可打印半径为4米，最大高度为3米，可以部署在施工现场并打印表单。然而，预定义的打印区域意味着设计师必须考虑整体组合的分割，并在整个建筑场地中纳入不可避免的设备拆卸和重组。荷兰建筑师Houben & Van Mierlo设计了欧洲首个3d打印房屋采用了不同的策略:在受控环境中打印组件，然后将它们运送到现场进行组装。尽管如此，通过设计可以看出打印区域的局限性，单独的墙壁和屋顶部分的尺寸在系统的可打印体积内，并与全高的孔和接头连接。
这张照片展示了Tecla 3d打印房屋的建造过程。来源:黄蜂
围绕3D打印可扩展性的问题还必须扩展到通过打印系统使用的材料。水泥/骨料混合物通常使用较小的水比。水的最少使用对于适应添加剂印刷顺序是必不可少的。随着挤出机的每一次通过，独立结构更依赖于下面层的快速固化。缩短混凝土的含水量会加速这一固化过程;虽然可能导致较弱的混合物和最终产品。打印过程的另一个复杂之处在于，目前还没有办法将额外的钢材或其他结构增强材料纳入建筑元素中。虽然通过3D打印技术使用的材料开始包含粘土、陶瓷甚至植物纤维等其他材料，但大多数这些材料仍处于早期研究和开发阶段，尚未对结构完整性进行彻底审查。
3D打印技术被建筑行业描述为一种节省时间和金钱的手段，以及一种减少人为错误的精确系统。这可能是事实，但只有在正确的参数下。虽然现场3D打印结构可能会降低整体劳动力成本，但这一过程将需要专业的人力资源作为机器人技术人员和过程控制工程师;需要熟悉结构和软件的职位。考虑到建筑劳动力所需要的这一重大转变，以及打印过程所呈现的设计限制，这种规模的3D打印仍然需要一些研究、开发和成熟。
作者简介
Emily K. Schwartz正在科罗拉多大学博尔德分校攻读建筑工程硕士学位，并获得了卡尔顿学院的物理学学士学开云全站app登录官网入口下载位。施瓦茨女士是一名项目经理，毕业后有兴趣从事可持续建筑工程方面的职业。开云全站app登录官网入口下载
Charles Newman是一名国际开发专业人士，在建筑设计、开发和施工管理方面拥有超过10年的工作经验。纽曼先生创立了无结构设计有限责任公司，为非营利组织和有需要的社区提供咨询服务。
