House Zero di Austin, Texas, ialah rumah seluas 2,000 kaki persegi yang dibina dengan konkrit bercetak 3D. Arkitek Tasik Flato

Dalam seni bina, bahan baru jarang muncul.

Selama berabad-abad, kayu, batu dan konkrit membentuk asas bagi kebanyakan struktur di Bumi.

Pada tahun 1880-an, penerimaan pakai kerangka keluli mengubah seni bina selama-lamanya. Keluli membenarkan arkitek mereka bentuk bangunan yang lebih tinggi dengan tingkap yang lebih besar, yang menimbulkan bangunan pencakar langit yang mentakrifkan latar langit bandar hari ini.

Sejak revolusi perindustrian, bahan binaan sebahagian besarnya terhad kepada pelbagai elemen yang dihasilkan secara besar-besaran. Daripada rasuk keluli ke panel papan lapis, kit bahagian piawai ini telah memaklumkan reka bentuk dan pembinaan bangunan selama lebih 150 tahun.

Itu mungkin tidak lama lagi berubah dengan kemajuan dalam apa yang dipanggil “pembuatan aditif berskala besar.” Sejak penggunaan rangka keluli tidak wujud pembangunan yang berpotensi untuk mengubah cara bangunan dibayangkan dan dibina.

Pembuatan aditif berskala besar, seperti pencetakan 3D desktop, melibatkan membina objek satu lapisan pada satu masa. Sama ada tanah liat, konkrit atau plastik, bahan cetakan tersemperit dalam keadaan bendalir dan mengeras ke dalam bentuk terakhir.

Sebagai pengarah Institut untuk Struktur Pintar di Universiti Tennessee, saya bernasib baik kerana bekerja pada satu siri projek yang menggunakan teknologi baharu ini.

Walaupun beberapa sekatan jalan kepada penggunaan meluas teknologi ini masih wujud, saya dapat meramalkan masa depan di mana bangunan dibina sepenuhnya daripada bahan kitar semula atau bahan yang diperoleh di tapak, dengan bentuk yang diilhamkan oleh geometri alam semula jadi.

Prototaip yang menjanjikan

Antaranya ialah Pavilion Trillium, struktur terbuka yang dicetak daripada kitar semula polimer ABS, plastik biasa digunakan dalam pelbagai produk pengguna.

Permukaan nipis struktur dua lengkung diilhamkan oleh kelopak bunga senama. Projek ini direka oleh pelajar, dicetak oleh Loci Robotics dan dibina di Taman Penyelidikan Universiti Tennessee di Cherokee Farm di Knoxville.

Contoh terbaru lain pembuatan aditif berskala besar termasuk Tecla, kediaman prototaip 450 kaki persegi (41.8 meter persegi) yang direka oleh Mario Cucinella Architects dan dicetak di Massa Lombarda, sebuah bandar kecil di Itali.

Tecla dibina daripada tanah liat sumber tempatan. Arkitek Mario Cucinella

Para arkitek mencetak Tecla daripada tanah liat yang diperoleh daripada sungai tempatan. Gabungan unik bahan murah dan geometri jejari ini mencipta bentuk perumahan alternatif yang cekap tenaga.

Kembali di AS, firma seni bina Lake Flato bekerjasama dengan firma teknologi pembinaan ICON untuk mencetak dinding luar konkrit untuk rumah yang digelar “Rumah Zero” di Austin, Texas.

Rumah seluas 2,000 kaki persegi (185.8 meter persegi) menunjukkan kelajuan dan kecekapan konkrit cetakan 3D, dan strukturnya memaparkan kontras yang menggembirakan antara dinding melengkung dan rangka kayunya yang terdedah.

Proses perancangan

Pembuatan aditif berskala besar melibatkan tiga bidang pengetahuan: reka bentuk digital, fabrikasi digital dan sains bahan.

Untuk memulakan, arkitek mencipta model komputer semua komponen yang akan dicetak. Pereka bentuk ini kemudiannya boleh menggunakan perisian untuk menguji bagaimana komponen akan bertindak balas terhadap daya struktur dan mengubah suai komponen dengan sewajarnya. Alat ini juga boleh membantu pereka bentuk memikirkan cara mengurangkan berat komponen dan mengautomasikan proses reka bentuk tertentu, seperti melicinkan persimpangan geometri yang kompleks, sebelum mencetak.

Sekeping perisian dikenali sebagai penghiris kemudian menterjemah model komputer ke dalam satu set arahan untuk pencetak 3D.

Anda mungkin menganggap pencetak 3D berfungsi pada skala yang agak kecil - fikirkan sarung telefon bimbit and pemegang berus gigi.

Tetapi kemajuan dalam teknologi percetakan 3D telah membenarkan perkakasan untuk meningkatkan dengan cara yang serius. Kadang-kadang pencetakan dilakukan melalui apa yang dipanggil sistem berasaskan gantri – rangka kerja segi empat tepat bagi rel gelongsor yang serupa dengan pencetak 3D desktop. semakin, lengan robotik digunakan kerana keupayaan mereka untuk mencetak dalam sebarang orientasi.

Lengan robot membolehkan lebih fleksibiliti dalam proses pembinaan.

Tapak percetakan juga boleh berbeza-beza. Perabot dan komponen yang lebih kecil boleh dicetak di kilang, manakala seluruh rumah mesti dicetak di tapak.

Pelbagai bahan boleh digunakan untuk pembuatan aditif berskala besar. Konkrit adalah pilihan yang popular kerana kebiasaan dan ketahanannya. Tanah liat ialah alternatif yang menarik kerana ia boleh dituai di tapak – itulah yang dilakukan oleh pereka Tecla.

Tetapi plastik dan polimer boleh mempunyai aplikasi yang paling luas. Bahan-bahan ini sangat serba boleh, dan ia boleh dirumuskan dengan cara yang memenuhi pelbagai keperluan struktur dan estetik tertentu. Ia juga boleh dihasilkan daripada bahan kitar semula dan bahan organik.

Inspirasi dari alam semula jadi

Oleh kerana pembuatan bahan tambahan membina lapisan demi lapisan, hanya menggunakan bahan dan tenaga yang diperlukan untuk membuat komponen tertentu, ia merupakan proses pembinaan yang jauh lebih cekap daripada “kaedah tolak,” yang melibatkan pemotongan bahan berlebihan – fikirkan mengisar rasuk kayu daripada pokok.

Malah bahan biasa seperti konkrit dan plastik mendapat manfaat daripada cetakan 3D, kerana tidak memerlukan acuan atau acuan tambahan.

Kebanyakan bahan binaan hari ini dihasilkan secara besar-besaran pada talian pemasangan yang direka untuk menghasilkan komponen yang sama. Sambil mengurangkan kos, proses ini meninggalkan sedikit ruang untuk penyesuaian.

Memandangkan tidak ada keperluan untuk perkakas, bentuk atau cetakan, pembuatan aditif berskala besar membolehkan setiap bahagian menjadi unik, tanpa penalti masa untuk menambah kerumitan atau penyesuaian.

Satu lagi ciri menarik pembuatan aditif berskala besar ialah keupayaan untuk menghasilkan komponen kompleks dengan lompang dalaman. Ini mungkin suatu hari nanti membolehkan dinding dicetak dengan saluran atau saluran saluran yang telah sedia ada.

Di samping itu, penyelidikan sedang berlaku untuk meneroka kemungkinan pencetakan 3D berbilang bahan, teknik yang membolehkan tingkap, penebat, tetulang struktur - malah pendawaian - disepadukan sepenuhnya ke dalam komponen cetakan tunggal.

Salah satu aspek pembuatan aditif yang paling menggembirakan saya ialah cara membina lapisan demi lapisan, dengan bahan yang mengeras secara perlahan, mencerminkan proses semula jadi, seperti pembentukan cangkerang.

Sebuah rumah bercetak 3D di Shanghai yang dibina dalam masa kurang daripada 24 jam daripada sisa pembinaan. Imej Kumpulan Visual China/Getty

Ini membuka peluang, membolehkan pereka bentuk melaksanakan geometri yang sukar dihasilkan menggunakan kaedah pembinaan lain, tetapi bersifat biasa.

Bingkai struktur diilhamkan oleh struktur halus tulang burung boleh mencipta kekisi ringan tiub, dengan saiz yang berbeza-beza mencerminkan daya yang bertindak ke atasnya. Fasad itu membangkitkan bentuk daun tumbuhan mungkin direka bentuk untuk menaungi bangunan secara serentak dan menghasilkan tenaga suria.

Mengatasi keluk pembelajaran

Walaupun terdapat banyak aspek positif dalam pembuatan aditif berskala besar, terdapat beberapa halangan kepada penggunaannya yang lebih meluas.

Mungkin yang terbesar untuk diatasi adalah kebaharuannya. Terdapat keseluruhan infrastruktur yang dibina di sekitar bentuk pembinaan tradisional seperti keluli, konkrit dan kayu, yang termasuk rantaian bekalan dan kod bangunan. Di samping itu, kos perkakasan fabrikasi digital agak tinggi, dan kemahiran reka bentuk khusus yang diperlukan untuk bekerja dengan bahan baharu ini belum diajar secara meluas.

Untuk mencetak 3D dalam seni bina menjadi lebih meluas, ia perlu mencari nichenya. Sama seperti bagaimana pemprosesan perkataan membantu mempopularkan komputer meja, saya fikir ia akan menjadi aplikasi khusus pembuatan aditif berskala besar yang akan membawa kepada penggunaan biasa.

Mungkin ia akan menjadi keupayaannya untuk mencetak bingkai struktur yang sangat cekap. Saya juga sudah melihat janjinya untuk mencipta fasad arca unik yang boleh dikitar semula dan dicetak semula pada akhir hayat bergunanya.

Walau apa pun, nampaknya beberapa gabungan faktor akan memastikan bangunan masa depan akan, dalam beberapa bahagian, dicetak 3D.

Tentang Pengarang

James Rose, Pengarah Institut Struktur Pintar, Universiti Tennessee

Artikel ini diterbitkan semula daripada Perbualan di bawah lesen Creative Commons. Membaca artikel asal.