Dom Zero w Austin w Teksasie
House Zero w Austin w Teksasie to dom o powierzchni 2,000 stóp kwadratowych, który został zbudowany z betonu wydrukowanego w 3D. Architekci Lake Flato

W architekturze rzadko pojawiają się nowe materiały.

Przez wieki drewno, mur i beton stanowiły podstawę większości budowli na Ziemi.

W latach osiemdziesiątych XIX wieku przyjęcie stalowa rama na zawsze zmieniła architekturę. Stal umożliwiła architektom projektowanie wyższych budynków z większymi oknami, dając początek drapaczom chmur, które dziś definiują panoramę miast.

Od czasu rewolucji przemysłowej materiały budowlane były w dużej mierze ograniczone do szeregu elementów produkowanych masowo. Od belek stalowych po panele ze sklejki, ten znormalizowany zestaw części stanowi podstawę projektowania i budowy budynków od ponad 150 lat.

Może się to wkrótce zmienić wraz z postępem w tak zwanym „produkcja addytywna na dużą skalę”. Od czasu przyjęcia stalowej ramy nie było rozwoju o tak dużym potencjale, aby zmienić sposób, w jaki budynki są projektowane i konstruowane.

Wytwarzanie addytywne na dużą skalę, takie jak drukowanie 3D na komputerach stacjonarnych, polega na budowaniu obiektów po jednej warstwie na raz. Niezależnie od tego, czy jest to glina, beton czy plastik, materiał do drukowania jest wytłaczany w stanie płynnym i twardnieje do ostatecznej postaci.


wewnętrzna grafika subskrypcji


Jako dyrektor ds Instytut Inteligentnych Struktur na Uniwersytecie Tennessee miałem szczęście pracować nad serią projektów wykorzystujących tę nową technologię.

Chociaż nadal istnieją pewne przeszkody na drodze do powszechnego przyjęcia tej technologii, mogę przewidzieć przyszłość, w której budynki będą budowane w całości z materiałów pochodzących z recyklingu lub materiałów pozyskiwanych na miejscu, z formami inspirowanymi geometrią natury.

Obiecujące prototypy

Wśród nich jest pawilon Trillium, struktura plenerowa wydrukowana z materiałów pochodzących z recyklingu Polimer ABS, popularne tworzywo sztuczne stosowane w szerokiej gamie produktów konsumenckich.

Cienkie, podwójnie zakrzywione powierzchnie struktury zostały zainspirowane płatkami kwiat o tej samej nazwie. Projekt został zaprojektowany przez studentów, wydrukowany przez Loci Robotics i zbudowany na University of Tennessee Research Park w Cherokee Farm w Knoxville.

Inne niedawne przykłady wytwarzania przyrostowego na dużą skalę w tym Teclę, prototypowy dom o powierzchni 450 stóp kwadratowych (41.8 metra kwadratowego), zaprojektowany przez Mario Cucinella Architects i wydrukowany w Massa Lombarda, małym miasteczku we Włoszech.

Tecla została zbudowana z lokalnej gliny.
Tecla została zbudowana z lokalnej gliny.
Mario Cucinella Architekci

Architekci wydrukowali Teclę z gliny pochodzącej z lokalnej rzeki. Unikalne połączenie tego niedrogiego materiału i promieniowej geometrii stworzyło energooszczędną formę alternatywnej obudowy.

Po powrocie do USA firma architektoniczna Lake Flato nawiązała współpracę z firmą zajmującą się technologiami budowlanymi ICON, aby wydrukować betonowe ściany zewnętrzne domu o nazwie „Dom Zero” w Austin w Teksasie.

Dom o powierzchni 2,000 stóp kwadratowych (185.8 metra kwadratowego) demonstruje szybkość i wydajność betonu wydrukowanego w 3D, a struktura wykazuje przyjemny kontrast między krzywoliniowymi ścianami a odsłoniętą drewnianą ramą.

Proces planowania

Wytwarzanie addytywne na dużą skalę obejmuje trzy obszary wiedzy: projektowanie cyfrowe, wytwarzanie cyfrowe i materiałoznawstwo.

Na początek architekci tworzą modele komputerowe wszystkich komponentów, które zostaną wydrukowane. Ci projektanci mogą następnie użyć oprogramowania do przetestowania, w jaki sposób komponenty zareagują na siły strukturalne i odpowiednio dostosować komponenty. Narzędzia te mogą również pomóc projektantowi dowiedzieć się, jak zmniejszyć wagę komponentów i zautomatyzować niektóre procesy projektowe, takie jak wygładzanie złożonych przecięć geometrycznych przed drukowaniem.

Kawałek oprogramowania znany jako krajalnica następnie przekłada model komputerowy na zestaw instrukcji dla drukarki 3D.

Można założyć, że drukarki 3D działają na stosunkowo małą skalę – pomyśl etui na telefony komórkowe i uchwyty na szczoteczki do zębów.

Ale postęp w technologii druku 3D umożliwił sprzęt nabrać poważnego rozmachu. Czasami drukowanie odbywa się za pośrednictwem tzw system oparty na gantry – prostokątny szkielet przesuwnych szyn podobny do biurkowej drukarki 3D. Coraz bardziej, ramiona robotów są używane ze względu na możliwość drukowania w dowolnej orientacji.

Ramiona robotów pozwalają na większą elastyczność w procesie budowy.

 

Miejsce drukowania może się również różnić. Meble i mniejsze elementy można drukować w fabrykach, podczas gdy całe domy muszą być drukowane na miejscu.

Do produkcji addytywnej na dużą skalę można stosować szereg materiałów. Beton jest popularnym wyborem ze względu na swoją znajomość i trwałość. Glina jest intrygującą alternatywą, ponieważ można ją zbierać na miejscu – tak właśnie zrobili projektanci Tecli.

Ale tworzywa sztuczne i polimery mogą mieć najszersze zastosowanie. Materiały te są niezwykle wszechstronne i można je formułować w sposób spełniający szeroki zakres specyficznych wymagań konstrukcyjnych i estetycznych. Mogą być również produkowane z materiałów pochodzących z recyklingu i pochodzenia organicznego.

Inspiracja z natury

Ponieważ wytwarzanie przyrostowe buduje warstwa po warstwie, wykorzystując tylko materiał i energię potrzebną do wytworzenia określonego komponentu, jest to znacznie bardziej wydajny proces budowania niż „metody subtraktywne”, które obejmują wycinanie nadmiaru materiału – pomyśl o frezowaniu drewnianej belki z drzewa.

Nawet popularne materiały, takie jak beton i tworzywa sztuczne, korzystają z drukowania 3D, ponieważ nie ma potrzeby stosowania dodatkowych szalunków ani form.

Większość materiałów budowlanych jest obecnie produkowana masowo na liniach montażowych zaprojektowanych do produkcji tych samych komponentów. Zmniejszając koszty, ten proces pozostawia niewiele miejsca na dostosowanie.

Ponieważ nie ma potrzeby stosowania oprzyrządowania, form ani matryc, produkcja addytywna na dużą skalę pozwala każdej części być niepowtarzalną, bez kary czasowej za dodatkową złożoność lub dostosowanie.

Inną interesującą cechą wytwarzania addytywnego na dużą skalę jest możliwość wytwarzania złożonych elementów z wewnętrznymi pustkami. Może to pewnego dnia pozwolić na wydrukowanie ścian z już zainstalowanymi przewodami lub kanałami.

Dodatkowo, toczą się badania zbadanie możliwości wielomateriałowego drukowania 3D, techniki, która może pozwolić na pełną integrację okien, izolacji, wzmocnienia strukturalnego – a nawet okablowania – w jednym drukowanym elemencie.

Jednym z aspektów wytwarzania addytywnego, który najbardziej mnie ekscytuje, jest sposób, w jaki budowanie warstwa po warstwie z wolno twardniejącego materiału odzwierciedla naturalne procesy, takie jak formowanie skorupy.

Wydrukowany w 3D dom w Szanghaju
Wydrukowany w 3D dom w Szanghaju, który został zbudowany w mniej niż 24 godziny z odpadów budowlanych.
Visual China Group / Getty Images

Otwiera to możliwości, umożliwiając projektantom wdrażanie geometrii, które są trudne do wyprodukowania przy użyciu innych metod konstrukcyjnych, ale są powszechne w naturze.

Ramy konstrukcyjne zainspirowany delikatną strukturą ptasich kości może tworzyć lekkie kraty z rur, o różnych rozmiarach odzwierciedlających działające na nie siły. Fasady, które przywołują kształty liści roślin może być zaprojektowany tak, aby jednocześnie zacieniać budynek i wytwarzać energię słoneczną.

Pokonywanie krzywej uczenia się

Pomimo wielu pozytywnych aspektów wytwarzania addytywnego na dużą skalę, istnieje szereg przeszkód w jego szerszym zastosowaniu.

Być może największym do pokonania jest jego nowość. Istnieje cała infrastruktura zbudowana wokół tradycyjnych form konstrukcji, takich jak stal, beton i drewno, które obejmują łańcuchy dostaw i przepisy budowlane. Ponadto koszt sprzętu do cyfrowej produkcji jest stosunkowo wysoki, a specyficzne umiejętności projektowe potrzebne do pracy z tymi nowymi materiałami nie są jeszcze powszechnie nauczane.

Aby druk 3D w architekturze stał się szerzej stosowany, będzie musiał znaleźć swoją niszę. Podobne jak przetwarzanie tekstu pomogło spopularyzować komputery stacjonarne, myślę, że będzie to konkretne zastosowanie wytwarzania addytywnego na dużą skalę, które doprowadzi do jego powszechnego zastosowania.

Być może będzie to jego zdolność do drukowania wysoce wydajnych ram konstrukcyjnych. Już teraz dostrzegam w nim obietnicę tworzenia unikalnych rzeźbionych fasad, które można poddać recyklingowi i przedrukować po zakończeniu okresu użytkowania.

Tak czy inaczej, wydaje się prawdopodobne, że pewna kombinacja czynników zapewni, że przyszłe budynki będą w jakiejś części drukowane w 3D.Konwersacje

O autorze

Jamesa Rose'a, Dyrektor Instytutu Inteligentnych Struktur, University of Tennessee

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.