House Zero ở Austin, Texas, là một ngôi nhà rộng 2,000 mét vuông được xây dựng bằng bê tông in 3D. Kiến trúc sư hồ Flato

Trong kiến ​​trúc, vật liệu mới hiếm khi xuất hiện.

Trong nhiều thế kỷ, gỗ, gạch xây và bê tông đã hình thành cơ sở cho hầu hết các cấu trúc trên Trái đất.

Vào những năm 1880, việc áp dụng khung thép thay đổi kiến ​​trúc mãi mãi. Thép cho phép các kiến ​​trúc sư thiết kế các tòa nhà cao hơn với cửa sổ lớn hơn, tạo nên những tòa nhà chọc trời xác định đường chân trời của thành phố ngày nay.

Kể từ cuộc cách mạng công nghiệp, vật liệu xây dựng chủ yếu được giới hạn trong một loạt các yếu tố được sản xuất hàng loạt. Từ dầm thép đến tấm ván ép, bộ phụ tùng tiêu chuẩn này đã cung cấp thông tin cho việc thiết kế và xây dựng các tòa nhà trong hơn 150 năm.

Điều đó có thể sớm thay đổi với những tiến bộ trong cái được gọi là “sản xuất phụ gia quy mô lớn.” Không phải kể từ khi áp dụng khung thép, đã có một sự phát triển với nhiều tiềm năng để thay đổi cách các tòa nhà được hình thành và xây dựng.

Sản xuất bồi đắp quy mô lớn, như in 3D trên máy tính để bàn, liên quan đến việc xây dựng các đối tượng theo từng lớp một. Cho dù đó là đất sét, bê tông hay nhựa, vật liệu in được ép đùn ở trạng thái lỏng và cứng lại thành dạng cuối cùng.

Là giám đốc của Viện cấu trúc thông minh tại Đại học Tennessee, tôi may mắn được làm việc trong một loạt dự án triển khai công nghệ mới này.

Mặc dù vẫn còn tồn tại một số rào cản đối với việc áp dụng rộng rãi công nghệ này, nhưng tôi có thể thấy trước một tương lai trong đó các tòa nhà được xây dựng hoàn toàn từ vật liệu tái chế hoặc vật liệu có nguồn gốc tại chỗ, với các hình thức lấy cảm hứng từ hình học của tự nhiên.

nguyên mẫu đầy hứa hẹn

Trong số này là Gian hàng Trillium, một cấu trúc ngoài trời được in từ đồ tái chế Polyme ABS, một loại nhựa phổ biến được sử dụng trong nhiều loại sản phẩm tiêu dùng.

Các bề mặt cong, mỏng của cấu trúc được lấy cảm hứng từ những cánh hoa của loài hoa trùng tên với nó. Dự án được thiết kế bởi các sinh viên, được in bởi Loci Robotics và được xây dựng tại Công viên Nghiên cứu của Đại học Tennessee tại Trang trại Cherokee ở Knoxville.

Các ví dụ gần đây khác về sản xuất phụ gia quy mô lớn bao gồm Tecla, một ngôi nhà nguyên mẫu rộng 450 foot vuông (41.8 mét vuông) do Mario Cucinella Architects thiết kế và được in ở Massa Lombarda, một thị trấn nhỏ ở Ý.

Tecla được xây dựng từ đất sét có nguồn gốc địa phương. Kiến trúc sư Mario Cucinella

Các kiến ​​trúc sư đã in Tecla bằng đất sét lấy từ một con sông địa phương. Sự kết hợp độc đáo giữa vật liệu rẻ tiền này và hình học xuyên tâm đã tạo ra một dạng nhà ở thay thế tiết kiệm năng lượng.

Quay trở lại Hoa Kỳ, công ty kiến ​​trúc Lake Flato đã hợp tác với công ty công nghệ xây dựng ICON để in các bức tường bên ngoài bằng bê tông cho một ngôi nhà có tên “Nhà số XNUMX” ở Austin, Texas.

Ngôi nhà rộng 2,000 foot vuông (185.8 mét vuông) thể hiện tốc độ và hiệu quả của bê tông in 3D, và cấu trúc thể hiện sự tương phản dễ chịu giữa những bức tường cong và khung gỗ lộ ra ngoài.

quy trình lập kế hoạch

Sản xuất bồi đắp quy mô lớn liên quan đến ba lĩnh vực kiến ​​thức: thiết kế kỹ thuật số, chế tạo kỹ thuật số và khoa học vật liệu.

Để bắt đầu, các kiến ​​trúc sư tạo ra các mô hình máy tính của tất cả các thành phần sẽ được in. Sau đó, những nhà thiết kế này có thể sử dụng phần mềm để kiểm tra xem các thành phần sẽ phản ứng như thế nào với các lực kết cấu và điều chỉnh các thành phần cho phù hợp. Những công cụ này cũng có thể giúp nhà thiết kế tìm ra cách giảm trọng lượng của các thành phần và tự động hóa các quy trình thiết kế nhất định, chẳng hạn như làm mịn các giao điểm hình học phức tạp, trước khi in.

Một phần mềm được biết đến như một máy thái sau đó dịch mô hình máy tính thành một bộ hướng dẫn cho máy in 3D.

Bạn có thể cho rằng máy in 3D hoạt động ở quy mô tương đối nhỏ – hãy nghĩ hộp đựng điện thoại di động và người giữ bàn chải đánh răng.

Nhưng những tiến bộ trong công nghệ in 3D đã cho phép phần cứng mở rộng quy mô một cách nghiêm túc. Đôi khi việc in ấn được thực hiện thông qua những gì được gọi là một hệ thống dựa trên giàn – một khung hình chữ nhật gồm các đường ray trượt tương tự như máy in 3D để bàn. Ngày càng, cánh tay robot được sử dụng do khả năng in theo bất kỳ hướng nào.

Cánh tay robot cho phép linh hoạt hơn trong quá trình xây dựng.

Các trang web in ấn cũng có thể khác nhau. Nội thất và các bộ phận nhỏ hơn có thể được in tại nhà máy, trong khi toàn bộ ngôi nhà phải được in tại chỗ.

Nhiều loại vật liệu có thể được sử dụng cho sản xuất bồi đắp quy mô lớn. Bê tông là một lựa chọn phổ biến do sự quen thuộc và độ bền của nó. Đất sét là một giải pháp thay thế hấp dẫn vì nó có thể được thu hoạch tại chỗ – đó là điều mà các nhà thiết kế của Tecla đã làm.

Nhưng nhựa và polyme có thể có ứng dụng rộng rãi nhất. Những vật liệu này cực kỳ linh hoạt và chúng có thể được chế tạo theo những cách đáp ứng nhiều yêu cầu về cấu trúc và thẩm mỹ cụ thể. Chúng cũng có thể được sản xuất từ ​​vật liệu tái chế và có nguồn gốc hữu cơ.

Cảm hứng từ thiên nhiên

Bởi vì sản xuất bồi đắp xây dựng từng lớp, chỉ sử dụng vật liệu và năng lượng cần thiết để tạo ra một bộ phận cụ thể, nên đây là một quy trình xây dựng hiệu quả hơn nhiều so với “phương pháp trừ,” liên quan đến việc cắt bỏ vật liệu dư thừa - hãy nghĩ đến việc phay một thanh gỗ ra khỏi cây.

Ngay cả những vật liệu phổ biến như bê tông và nhựa cũng được hưởng lợi từ việc in 3D, vì không cần thêm ván khuôn hoặc khuôn.

Hầu hết các vật liệu xây dựng ngày nay được sản xuất hàng loạt trên dây chuyền lắp ráp được thiết kế để sản xuất các bộ phận giống nhau. Trong khi giảm chi phí, quá trình này để lại rất ít chỗ cho việc tùy chỉnh.

Vì không cần dụng cụ, khuôn mẫu hoặc khuôn dập, sản xuất bồi đắp quy mô lớn cho phép mỗi bộ phận trở nên độc nhất, không bị phạt thời gian vì độ phức tạp hoặc tùy chỉnh tăng thêm.

Một tính năng thú vị khác của sản xuất bồi đắp quy mô lớn là khả năng sản xuất các thành phần phức tạp có khoảng trống bên trong. Điều này một ngày nào đó có thể cho phép các bức tường được in bằng ống dẫn hoặc hệ thống ống dẫn đã có sẵn.

Ngoài ra, nghiên cứu đang diễn ra để khám phá các khả năng của in 3D đa vật liệu, một kỹ thuật có thể cho phép cửa sổ, vật liệu cách nhiệt, gia cố cấu trúc – thậm chí cả hệ thống dây điện – được tích hợp hoàn toàn vào một thành phần in duy nhất.

Một trong những khía cạnh của sản xuất phụ gia khiến tôi phấn khích nhất là cách xây dựng từng lớp, với vật liệu cứng dần, phản ánh các quá trình tự nhiên, chẳng hạn như sự hình thành lớp vỏ.

Một ngôi nhà in 3D ở Thượng Hải được xây dựng trong vòng chưa đầy 24 giờ từ chất thải xây dựng. Nhóm Visual China/Getty Images

Điều này mở ra nhiều cơ hội, cho phép các nhà thiết kế thực hiện các hình học khó tạo ra bằng các phương pháp xây dựng khác, nhưng phổ biến trong tự nhiên.

khung kết cấu lấy cảm hứng từ cấu trúc tốt của xương chim có thể tạo ra các mạng ống nhẹ, với các kích cỡ khác nhau phản ánh các lực tác động lên chúng. mặt tiền mà gợi hình dáng của lá cây có thể được thiết kế để đồng thời tạo bóng râm cho tòa nhà và sản xuất năng lượng mặt trời.

Vượt qua đường cong học tập

Mặc dù có nhiều khía cạnh tích cực của sản xuất bồi đắp quy mô lớn, vẫn có một số trở ngại đối với việc áp dụng rộng rãi hơn.

Có lẽ lớn nhất để vượt qua là tính mới của nó. Toàn bộ cơ sở hạ tầng được xây dựng xung quanh các hình thức xây dựng truyền thống như thép, bê tông và gỗ, bao gồm chuỗi cung ứng và quy chuẩn xây dựng. Ngoài ra, chi phí của phần cứng chế tạo kỹ thuật số tương đối cao và các kỹ năng thiết kế cụ thể cần thiết để làm việc với các vật liệu mới này vẫn chưa được giảng dạy rộng rãi.

Để công nghệ in 3D trong kiến ​​trúc được áp dụng rộng rãi hơn, nó sẽ cần phải tìm ra thị trường ngách của mình. Tương tự như thế nào xử lý văn bản đã giúp phổ biến máy tính để bàn, Tôi nghĩ rằng nó sẽ là một ứng dụng cụ thể của sản xuất phụ gia quy mô lớn sẽ dẫn đến việc sử dụng phổ biến nó.

Có lẽ đó sẽ là khả năng in các khung cấu trúc hiệu quả cao. Tôi cũng đã thấy hứa hẹn của nó trong việc tạo ra những mặt tiền điêu khắc độc đáo có thể được tái chế và in lại khi hết thời gian sử dụng.

Dù bằng cách nào, có vẻ như một số yếu tố kết hợp sẽ đảm bảo rằng các tòa nhà trong tương lai, ở một phần nào đó, sẽ được in 3D.

Giới thiệu về Tác giả

James Rose, Giám đốc Viện Cấu trúc Thông minh, Đại học Tennessee

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.