★ 3D 列印建築《營建工地基本知識系列》

如何使用 3D 列印機建造混凝土房屋

UNDERSTAND BUILDING CONSTRUCTION

3D 列印建築

與機器人建築一樣，3D 列印建築一直受到大量媒體報導。這項技術成熟了嗎？ 繼續閱讀以瞭解。

建築施工中的 3D 列印

讓我們首先研究一些 3D 列印建築的例子。截至 2017 年年中，該領域的領先者（按建成建築數量計算）是中國公司的 Winsun。Winsun 的創始人、發明家馬義和開發了一種基於大型 3D 印表機的技術，它聲稱寬 10米，6.6 米高，可以製造非常長的元件，因為傳送帶可以用作第三軸。該技術類似於消費型電腦 3D 印表機上的糊狀擠出技術。

該機器由一個三維移動的頭部組成，並擠出糊狀材料（例如不斷擠壓一管牙膏，在浴室檯面上形成一條線）。擠壓在水準層中進行，一個層高於另一個層。然後，糊狀物在幾個小時內變硬，形成剛性結構。當你將所有圖層加起來時，你可以構建任何形狀的物件。

要製作形狀，機器將從描述部件 3D 幾何形狀的資料檔案開始，通常為 stl 格式。然後，軟體將把形狀「切片」成大量的水準層。然後，機器將建構部件，從最下面的層開始，並按順序新增層次一個層，直到達到部件的頂部。大多數 3D 印表機都以這種方式工作。

就 Winsun 而言，使用的材料似乎是水泥、沙子和纖維（抗拉強度）與水和化學新增劑混合的糊狀物，使其具有流動性和快速凝固效能的正確組合。Winsun 沒有分享機器的詳細圖片，因此這種混合物很可能是在傳統的混凝土攪拌機中製備的，然後透過柔性管道泵入機器。他們還聲稱在混合中使用工業廢物。混合物需要快速凝固，好像新增上層時仍然溼潤和流暢，下層會在其重量下擠壓和變形。這種材料有時在媒體上被稱為“印刷油墨”，但我們更喜歡「建築材料」一詞。

牆壁約 9 英寸厚，由內層和外層材料製成，由鋸齒形的材料平面連線。這是一項非常聰明的工程，與 3D 列印過程配合得非常好。透過這種方式，Winsun 能夠建造任何形狀的牆壁。 一些圖片：

 

該方法的一個關鍵方面是，3D 列印是在工廠完成的，而不是在現場完成的。這使 Winsun 的方法與其他組織不同。這類似於預製混凝土施工的方法，即工廠製造的部件被運輸到現場，用起重機抬起到位，然後連線在一起。

讓我們看看 Windsun 製作的第一套 3D 列印建築：

因此，在這種情況下，Windsun 使用工廠 3D 列印來建立牆板，然後將它們運輸到現場，將它們組裝在一起，並使用傳統方法完成其餘的施工 —— 屋頂、地板飾面、門、窗戶、電氣系統。

Windsun 向媒體釋出了這一報道，聲稱「3D 印表機在 24 小時內列印了 10 棟房子」，但我們對這一宣告持保留態度，因為我們對此感興趣的是總施工時間。

現在讓我們看看 Winsun 建造的下一棟建築。

這是中國蘇州工業園區的一棟五層公寓樓。雖然這非常令人印象深刻，但讓我們對大樓進行快速法醫分析，看看這是怎麼做的。

以下照片為我們提供了線索：

照片表明，一些（但不是全部）建築元件都是 3D 列印的。人們可以透過表面上眾多間隔緊密的水準條紋或層，來分隔 3D 列印的元件。這些層大約 1 英寸高，表明牆壁已經進行了 3D 列印，而大多數其他元件都是傳統的。Winsun 的主要業務是玻璃和纖維鋼筋混凝土元件，這些很可能是覆蓋 3D 列印牆壁的紅白包層元素。有關更詳細的分析，請參閱下表。

免責宣告：此分析包括基於公共領域有限資訊的猜測。 它不打算作為事實陳述。

我們進行了這種分析，因為我們看到的關於該專案的每篇新聞報導，都假設整個建築在所有方面都進行了 3D 列印。

這告訴我們，這項技術仍處於起步階段，需要多年的發展才能成為傳統建築的工作替代品。 建築物必須具有抗颶風和抗震能力。他們需要足夠的防火效能，以便居住者有時間疏散大樓。

話雖如此，人們必須欣賞 Winsun 的技術。他們具有足夠的創新性，可以開發混凝土混合物和機器，來列印可以預製和運往現場的大型建築元件。他們是世界上第一家這樣做的公司。他們在中國做了這一切，毫無疑問，他們對未來有更大的計劃。

其他方法

該領域的另一家有趣的公司是 Contour Crafting，該公司由 Dr. 創立。Berokh Khoshnevis，基於他在南加州大學學校所做的工作。我們很幸運地見到了博士。 Khoshnevis 在 3D 列印會議上，並詳細討論了他的技術。

博士 機器人學家 Khoshnevis 開發了一系列有趣的技術，這些技術在建築施工中都有應用。 其中一些是：

• 輪廓製作，一種新的 3D 列印技術，將糊狀擠壓技術與自動捲筒相結合。 機器擠壓糊狀物，如混凝土混合物，然後用鏟子塑造它，在半固態時與印刷頭（或擠出機）一起移動。 物體被堆積成層，硬化成堅固的堅固材料。
• 製造裝配中的多個移動機器人
• 選擇性抑制燒結工藝，一種新型的 3D 列印工藝
• 美國宇航局的 3D 印表機，用於在月球上建造以風化層，或月球土壤為主要建築材料的建築

Contour Crafting 目前正在開發一個 3D 列印室的系統。在他們的方法中，機器被放置在現場，比實際的房子大。它安裝在龍門起重機系統上，並將使用一系列機器人來建造所有房屋系統，包括電氣和管道系統。

輪廓製作機建造的一些樣品牆如下所示。

結論

我們的結論是，3D 列印建築離實現還有很長的路要走。

目前的問題包括：

• 如何實現結構強度
• 如何實現耐火效能
• 如何在許多方面遵守建築法規
• 如何將不同技能和大小的機器人聚集在一起，以建構建築物的每個元件
• 如何在網站上移動
• 如果系統安裝在比建築物更大的龍門起重機上，這台機器又大又重，需要自己的基礎系統

因此，儘管從長遠來來來，這項技術肯定會佔上風，但從短期來來來，建築物仍將主要由人類建造......

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