3D打印如何缓解建筑业的社会、气候和环境挑战？

导读：建筑业目前面临着一把三刃剑，全球住房短缺、缺乏经验丰富的工人以及到2050年要实现碳中和的急切目标。行业领导者必须利用他们的经验提供可持续的解决方案，快速采取行动以平衡不断增长的人口。然而，如果没有完整的团队，就很难提供专业知识和速度。在这个需要用城市化建筑来对抗高碳传统建筑方法的时代，一项新技术为这种情况提供了解决方案，那就是3D打印建筑。



2021 年，3D打印市场价值138.4 亿美元，预计 2022 年至 2030 年的复合年增长率为 20.8%。目前，3D 打印硬件领域处于市场领先地位，通过在支持经济适用房、快速工业化、发展民用基础设施、更安全的城市化和优化劳动力成本方面的兼容性，3D 打印硬件占全球收入的 60% 以上。

全球建筑行业可以从3D打印建筑中获得益处。比如，3D打印可减少浪费并减少温室气体对环境的有害影响，同时不会影响工人的时间和安全。下面，就请跟随南极熊一起让看看3D打印建筑在实际应用方面的优势吧。

减少浪费，增加房屋
由于通货膨胀和房价高等原因，世界各地的流浪人口持续增加。据统计，仅在哥伦比亚，平均每天就有近500万无家可归者。可以说，目前没有足够的永久性、经济性的住房。

基于上述原因，浪费资源越来越不可取。与铣削或激光切割等其他减材生产技术相比，3D打印仅使用将设计变为现实所需的确切材料量，3D 打印的增材特性逐层构建组件，产生的废料更少。所以，3D打印能够通过减少浪费向更多人提供更少的材料来解决与资源稀缺的问题。


△Serendix Partners在不到 24 小时内 3D 打印的紧急避难所概念图。图片由 Serendix Partners 提供。

3D 打印的增材制造过程能够创建更复杂的形状、更快地构建对象并降低劳动力成本。它还可以在难以到达的贫困地区建造房屋，日本已经在23小时12分钟内建立了应急住房模型。事实证明，3D 打印能够比传统技术更快、更经济地建造单户住宅。在美国，建造房屋的平均成本约为282,000 美元，使用 3D 打印混凝土制作相同的设计可以将成本降低 20-40%。

减少碳足迹
除了社会住房问题和快速建设之外，建设领导者还必须考虑他们对气候的影响。独立的3D打印不会消除二氧化碳 (CO2) 排放，但通过更智能的城市规划、替代材料的使用和废物减少，这项技术减少碳排放的潜力是巨大的。


△“世界上最大的”3D 打印混凝土房屋，使用 COBOD 技术和 D.fab 混凝土材料制成。图片由 COBOD 提供。

2021年12月，人们已经建造了世界上最大的 3D 打印混凝土建筑，超过 99.5% 的材料来自当地。这不仅导致二氧化碳排放量大幅减少，而且还意味着成本的节约。这座190平方米房屋墙壁的3D打印材料总成本为1600欧元，仅为使用传统材料和方法成本的 8%。

过去，在偏远地区建设需要将大量机械和资源从城市运输到农村地区，在建设开始之前就排放了大量的温室气体。由于3D打印系统是便携式和可移动的，因此该技术适用于异地、预制生产和现场应用，无需频繁搬运。

在城市外围进行建筑时，异地3D打印会发挥其优势。最大限度地减少施工团队需要行驶的距离可以减少产生的二氧化碳。靠近市中心的建筑意味着未来居民的通勤时间更短，汽油排放量也更低。对于地形复杂的许多区域，如果没有更灵活的 3D 打印解决方案的支持，这些位置可能无法到达。


△3D 打印的后院工作室。图片由 Azure Printed Homes 提供。

此外，还有不同的研究和项目正在进行，旨在将废物（例如再利用塑料）与 3D 打印材料结合起来，以鼓励和加速循环经济。智能设计和先进的 3D 打印技术为在具有挑战性的景观中建造城市打开了大门，同时降低了碳足迹并降低了成本，从而为有需要的人增加了经济适用房的数量。

保护工人和环境
2020 年，建筑业显示每 10 万人中约有10人遭受致命工伤。3D打印技术不仅最大限度地减少了支持气候变化工作的浪费，而且也能改善工作条件。打印系统的机械系统和软件系统意味着设计人员可以通过自动化流程生产数字模型的精确复制品，几乎不需要人工输入或监督，这减少工人受伤和劳动力成本。


△WASP 的 TECLA 3D 打印房屋，使用原始地球材料制成。图片由 WASP 提供。

最新打印技术使复杂的设计成为可能，这也促使建筑团队尝试使用有机、可持续和可再生材料，例如生土房屋和竹复合结构。与更常用的树木相比，竹子每公顷多吸收约 35% 的二氧化碳，是一种不需要化肥或杀虫剂的天然有机产品。虽然生土是碳中和的，但它需要数字制造才能最大限度地提高粘土材料的标准产量。尽管生土的耐久性存在争议，但市场上也出现了一些解决方案，可以使用 99% 的本地可用材料，用真正的混凝土进行打印。

3D 打印可以创建尽可能高效的定制基础设施。凭借结构设计的更大灵活性，建筑师可以制定巧妙的计划，将可持续材料无缝结合、保留热量、降低能源消耗，并创造合理空间结构，让残疾人能够舒适地生活。

3D 打印采用智能设计和分层制造方法，可以减少材料使用，以更少的成本构建更多的东西，并且没有性能折衷。传统上，狭窄的城市空间和复杂的环境限制了安全稳定的基础设施的可用性，而3D打印正在引领潮流。它支持建筑公司在不影响工人安全和现场条件的情况下设计更环保的建筑。总的来说，3D打印提高了结构设计灵活性和建筑材料的扩展性，正打破当今可持续建筑和传统建筑的界限。