Будинок House Zero в Остіні, штат Техас, — це будинок площею 2,000 квадратних футів, побудований з бетону, надрукованого на 3D-друкі. Архітектори Lake Flato

В архітектурі рідко з’являються нові матеріали.

Століттями дерево, цегляна кладка та бетон були основою більшості будівель на Землі.

У 1880-х роках прийняття о сталевий каркас назавжди змінив архітектуру. Сталь дозволила архітекторам проектувати вищі будівлі з більшими вікнами, що дало початок хмарочосам, які визначають міські горизонти сьогодні.

З часів промислової революції будівельні матеріали здебільшого обмежувалися рядом елементів масового виробництва. Від сталевих балок до фанерних панелей, цей стандартизований набір деталей вплинув на проектування та будівництво будівель протягом понад 150 років.

Це може незабаром змінитися завдяки прогресу в тому, що називається «великомасштабне адитивне виробництво.” З моменту прийняття сталевого каркасу не було жодної розробки з таким великим потенціалом для зміни способу задуму та будівництва будівель.

Масштабне адитивне виробництво, як і настільний 3D-друк, передбачає створення об’єктів по одному шару за раз. Незалежно від того, чи це глина, бетон чи пластик, матеріал для друку екструдується в рідкому стані та застигає в остаточній формі.

На посаді директора Інститут розумних структур в Університеті Теннессі мені пощастило працювати над серією проектів, які розгортають цю нову технологію.

Хоча деякі перепони на шляху широкого впровадження цієї технології все ще існують, я можу передбачити майбутнє, в якому будівлі будуватимуть повністю з перероблених матеріалів або матеріалів, отриманих на місці, з формами, натхненними геометрією природи.

Перспективні прототипи

Серед них є Павільйон Трілліум, споруда під відкритим небом, надрукована з переробленого матеріалу ABS полімер, звичайний пластик, який використовується в широкому діапазоні споживчих товарів.

Тонкі, подвійно вигнуті поверхні конструкції були натхненні пелюстками його однойменна квітка. Проект був розроблений студентами, надрукований компанією Loci Robotics і створений у дослідницькому парку університету Теннессі на фермі Черокі в Ноксвіллі.

Інші останні приклади великомасштабного адитивного виробництва включають Tecla, прототип житла площею 450 квадратних футів (41.8 квадратних метрів), спроектований Mario Cucinella Architects і надрукований у Масса-Ломбарда, невеликому містечку в Італії.

Tecla була побудована з місцевої глини. Архітектори Маріо Кучінелла

Архітектори надрукували Tecla з глини, видобутої з місцевої річки. Унікальне поєднання цього недорогого матеріалу та радіальної геометрії створило енергоефективну форму альтернативного житла.

Повернувшись у США, архітектурна фірма Lake Flato співпрацювала з фірмою будівельних технологій ICON, щоб надрукувати бетонні зовнішні стіни для будинку під назвою «Будинок Нуль» в Остіні, штат Техас.

Будинок площею 2,000 квадратних футів (185.8 квадратних метрів) демонструє швидкість і ефективність надрукованого на 3D-принтері бетону, а конструкція демонструє приємний контраст між криволінійними стінами та відкритим дерев’яним каркасом.

Процес планування

Масштабне адитивне виробництво охоплює три сфери знань: цифровий дизайн, цифрове виготовлення та матеріалознавство.

Для початку архітектори створюють комп’ютерні моделі всіх компонентів, які будуть надруковані. Потім ці дизайнери можуть використовувати програмне забезпечення, щоб перевірити, як компоненти реагуватимуть на структурні сили, і відповідно налаштувати компоненти. Ці інструменти також можуть допомогти дизайнеру зрозуміти, як зменшити вагу компонентів і автоматизувати певні процеси проектування, такі як згладжування складних геометричних перетинів, перед друком.

Частина програмного забезпечення відомий як слайсер потім перетворює комп’ютерну модель у набір інструкцій для 3D-принтера.

Ви можете припустити, що 3D-принтери працюють у відносно невеликих масштабах – подумайте чохли для мобільних телефонів та тримачі для зубних щіток.

Але прогрес у технології 3D-друку дозволив апаратне забезпечення серйозно розширюватися. Іноді друк виконується через те, що називається портальна система – прямокутний каркас з розсувних рейок, схожий на настільний 3D-принтер. все частіше, роботизовані руки використовуються завдяки здатності друкувати в будь-якій орієнтації.

Роботизовані руки забезпечують більшу гнучкість у процесі будівництва.

Місце друку також може бути різним. Меблі та менші компоненти можна друкувати на фабриках, тоді як цілі будинки потрібно друкувати на місці.

Для великомасштабного адитивного виробництва можна використовувати ряд матеріалів. Бетон є популярним вибором завдяки своїй звичності та довговічності. Глина є інтригуючою альтернативою, оскільки її можна збирати на місці, що й зробили дизайнери Tecla.

Але найширше застосування можуть мати пластмаси та полімери. Ці матеріали є неймовірно універсальними, і їх можна створювати таким чином, щоб відповідати широкому спектру конкретних структурних та естетичних вимог. Вони також можуть бути виготовлені з перероблених та органічно отриманих матеріалів.

Натхнення від природи

Оскільки адитивне виробництво створює шар за шаром, використовуючи лише матеріал і енергію, необхідні для виготовлення конкретного компонента, це набагато ефективніший процес будівництва, ніж «субтрактивні методи”, які включають зрізання зайвого матеріалу – наприклад, фрезерування дерев’яної балки з дерева.

Навіть такі звичайні матеріали, як бетон і пластик, виграють від 3D-друку, оскільки немає потреби в додатковій опалубці чи формах.

Більшість будівельних матеріалів сьогодні масово виробляються на складальних лініях, які призначені для виробництва тих самих компонентів. Зменшуючи витрати, цей процес залишає мало місця для налаштування.

Оскільки немає потреби в інструментах, формах чи штампах, великомасштабне адитивне виробництво дозволяє кожній деталі бути унікальною, не витрачаючи часу на додаткову складність або налаштування.

Іншою цікавою особливістю великомасштабного адитивного виробництва є можливість виробляти складні компоненти з внутрішніми порожнечами. Одного дня це може дозволити надрукувати стіни з уже встановленими трубами або повітропроводами.

Крім того, проводяться дослідження досліджувати можливості багатоматеріального 3D-друку, техніки, яка може дозволити повністю інтегрувати вікна, ізоляцію, структурне посилення – навіть електропроводку – в один друкований компонент.

Один із аспектів адитивного виробництва, який мене найбільше захоплює, це спосіб, у який шар за шаром, з повільно твердіючим матеріалом, відображає природні процеси, як-от формування оболонки.

Надрукований на 3D-принтері будинок у Шанхаї, який був побудований менш ніж за 24 години з будівельного сміття. Visual China Group/Getty Images

Це відкриває вікна можливостей, дозволяючи дизайнерам реалізовувати геометрії, які важко створити за допомогою інших методів будівництва, але є поширеними в природі.

Конструкційні каркаси натхненний тонкою структурою пташиних кісток міг створювати легкі решітки з труб із різними розмірами, що відображають сили, що діють на них. Фасади що згадати форми листків рослин може бути призначений для одночасного затінення будівлі та виробництва сонячної енергії.

Подолання кривої навчання

Незважаючи на багато позитивних аспектів великомасштабного адитивного виробництва, існує ряд перешкод для його більш широкого впровадження.

Можливо, найбільшим недоліком є ​​його новизна. Існує ціла інфраструктура, побудована навколо традиційних форм будівництва, таких як сталь, бетон і дерево, що включає ланцюги поставок і будівельні норми. Крім того, вартість обладнання для цифрового виробництва є відносно високою, а конкретні навички проектування, необхідні для роботи з цими новими матеріалами, ще не широко викладаються.

Щоб 3D-друк в архітектурі отримав більш широке застосування, йому потрібно буде знайти свою нішу. Схоже на те, як обробка тексту допомогла популяризувати настільні комп'ютери, я думаю, що це буде конкретне застосування великомасштабного адитивного виробництва, яке призведе до його загального використання.

Можливо, це буде його здатність друкувати високоефективні структурні каркаси. Я також бачу перспективу створення унікальних скульптурних фасадів, які можна переробляти та передруковувати після закінчення терміну служби.

У будь-якому випадку, здається ймовірним, що певна комбінація факторів гарантуватиме, що майбутні будівлі будуть частково надруковані на 3D.

про автора

Джеймс Роуз, директор Інституту розумних конструкцій, Університет Теннессі

Ця стаття перевидана з Бесіда за ліцензією Creative Commons. Читати оригінал статті.