3D混凝土列印建築的崛起：從現場建造到模塊化製造

自1939年發明以來，3D混凝土列印建築（3DCP）主要局限於現場建造小型建築。然而，隨著更大規模印表機的開發以及異地製造的增長，3DCP的廣泛應用正在迅速增加。

人們一直對3DCP充滿熱情，因為它有潛力以更快的速度、更少的工人、更低的成本建造更優質的建築。一項英國學術研究分析了3DCP的成本，表明僅在人工和材料方面，3D列印就可能降低多達35%的建築成本。

世界經濟論壇也支持3DCP理念，認為它在偏遠或難以到達的地區，憑藉其建造速度和尺寸、形狀的適應性，具有獨特的優勢。

最近，現場3DCP建築變得越來越大，也更加富有創意。

總部位於馬里蘭州的PERI模板系統公司於2023年5月在美國休斯敦附近建造了第一座多層3D列印房屋。這是一座四層、30,000平方英尺的定製住宅，具有多個幾何變化和建築特色，包括3D列印的廚房島台、壁爐和一個40英尺高的煙囪。該建築的雙層外牆提高了隔熱性能，並使其具有防水、防風和防火的能力。

位於德克薩斯州的ICON是全球最大的3DCP公司之一，自2017年成立以來，一直處於行業發展的前沿。

今年3月，該公司推出了一款75英尺高的機器人3D印表機械臂「Phoenix」，最近使用低碳混合材料生產了一座8.3米高的結構。ICON表示，該機器人技術有可能將之前的列印成本削減一半。該公司提供的60多種可直接列印的住宅設計中，牆體列印成本起價為每平方英尺25美元，地基和屋頂的成本為每平方英尺80美元。

ICON還承諾明年推出一個名為「Vitruvius」的人工智慧平台，該平台將能夠生成定製設計，並提供完整的施工許可文件。

加拿大的3DCP建築商nidus3D位於安大略省金斯頓，已建造了北美首座三層3DCP建築。這座兩單元、8,740平方英尺的住宅建築具有磚砌外牆和鋼框架屋頂，僅用了80小時便完成了列印（包括地下室）。

該公司還與溫莎-埃塞克斯地區仁人家園（Habitat for Humanity Windsor-Essex）和溫莎大學合作，在安大略省利明頓建造了北美第一座獲得住宅許可的多單元3DCP建築。

「該建築包含四個獨立的560平方英尺住宅，並部分由加拿大按揭和住房公司（CMHC）的創新基金資助。」該公司表示。

然而，現場3DCP受到了一些限制，例如將印表機械運輸到施工現場的後勤問題，以及具備專業工程和設計能力的人員短缺。因此，異地3DCP製造逐漸成為一種新的發展方向。

與其運輸龐大的3D印表機到現場，不如在受控環境中列印建築組件，然後運至施工現場進行組裝。這樣可以生產出成本效益更高的模塊化住宅單元或部件包，不僅質量更高，減少浪費，而且由於可以大規模生產，成本也進一步降低。

目前，3DCP住宅模塊化部件包已經開始生產，並吸引了大量新投資。

總部位於舊金山的初創公司Mighty Buildings提供預製的、工廠製造的3DCP面板，可以根據任何設計進行定製，並在幾天內現場組裝完成。Mighty使用一種由60%回收玻璃製成的複合材料，該材料通過紫外線固化，具有比混凝土高五倍的抗拉強度和抗彎強度，並提供R24級隔熱性能，同時重量減輕30%。其配套的鋼框架使建築可達到四層。

3DCP商業建築的建設也正在成為現實。

德國建築工程公司Züblin在德國斯圖加特使用單台3D印表機建造了一座3DCP倉庫，被稱為「世界首創」。

這種水泥基材料被列印成類似磚塊的矩形形狀，而不像當前3D混凝土印表機形成的圓形邊緣。其26米長的機器人臂配備特殊壓力噴頭，從卡車泵送的混凝土中逐層噴塗材料，並按照預設的數字施工計劃進行施工。該方形牆體具有密封功能，可以在發生火災時防止火焰和煙霧擴散。

如果要論3DCP建築的高度，那麼瑞士阿爾卑斯山區穆勒根斯（Mulegns）村正在建設的一座24米高的塔樓，無疑是目前的佼佼者。該建築名為Tor Alva，將提供壯觀的景色，並設有一系列用於藝術裝置、音樂和戲劇表演的柱廊空間，預計今年完工。

儘管3DCP技術前景廣闊，但仍被認為是一種顛覆性技術。新進入該行業的企業可能面臨法規和許可方面的挑戰，因為現行建築法規尚未跟上技術發展。此外，傳統建築行業內部可能會對3DCP產生一定的抵制。

3D印表機簡介

3D印表機是一種通過逐層添加材料來製造三維物體的設備，也稱為增材製造（Additive Manufacturing, AM）技術。它通過計算機控制，將數字模型轉化為實體物品。3D印表機可以使用多種材料，包括塑料、金屬、陶瓷、樹脂甚至混凝土，廣泛應用於製造業、醫療、建築、航空航天和教育等領域。相比傳統製造方式，3D列印具有高精度、低成本、快速成型和減少材料浪費的優勢，正在推動各行業的技術創新和發展。

3D印表機 （3d printers）根據不同的成型原理和材料可分為以下幾種主要類型：

• 原理：通過加熱噴嘴將熱塑性材料（如PLA、ABS等）熔化，並逐層沉積形成三維物體。
• 特點：價格相對低廉、操作簡單、適合家用和教育領域。
• 應用：原型製作、模型設計、低成本製造。

• 原理：利用激光或投影光源，使光敏樹脂液逐層固化，形成三維物體。
• 特點：精度高、表面光滑，但列印速度較慢，材料成本較高。
• 應用：高精度零件製造、牙科模型、珠寶設計。

• 原理：利用激光對粉末材料（如尼龍、金屬粉末）進行局部燒結，使其逐層融合成型。
• 特點：無需支撐結構、可使用工業級材料、耐用性強。
• 應用：功能性零件製造、航空航天、醫療器械、汽車製造。

• 原理：與SLS類似，但SLM使用更高能量的激光，使金屬粉末完全熔化並逐層凝固。
• 特點：可製造高強度、複雜的金屬零件，但設備成本較高。
• 應用：航空航天、醫療植入物、汽車零件製造。

• 原理：通過噴嘴向粉末材料（如金屬、陶瓷、砂岩）噴射粘合劑，使其逐層固化成型。
• 特點：速度快、成本較低，但列印出的零件需后處理以增強強度。
• 應用：建築模型、全彩3D列印、砂模鑄造。

• 原理：類似於SLA，但使用數字投影光源將整個圖層一次性固化，而不是逐點掃描。
• 特點：列印速度比SLA快，適合精細度要求較高的應用。
• 應用：珠寶、牙科、工藝品製造。

• 原理：使用電子束在真空環境中熔化金屬粉末，並逐層堆積形成三維結構。
• 特點：適用於高溫合金材料，列印出的金屬零件性能優越。
• 應用：航空航天、醫療植入物、複雜金屬結構製造。

• 原理：採用大規模3D列印設備，使用特種混凝土或水泥基材料進行層層堆積，構建建築結構。
• 特點：施工速度快、減少人工成本、適用於異地製造和模塊化建築。
• 應用：住宅、商業建築、橋樑、災區應急住房建設。

不同類型的3D印表機適用於不同的行業和需求，用戶可以根據精度、材料、成本和應用場景來選擇合適的列印技術。

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