House Zero στο Ώστιν του Τέξας
Το House Zero στο Ώστιν του Τέξας είναι ένα σπίτι 2,000 τετραγωνικών ποδιών που χτίστηκε με 3D εκτυπωμένο σκυρόδεμα. Lake Flato Architects

Στην αρχιτεκτονική σπάνια εμφανίζονται νέα υλικά.

Για αιώνες, το ξύλο, η τοιχοποιία και το σκυρόδεμα αποτέλεσαν τη βάση για τις περισσότερες κατασκευές στη Γη.

Στη δεκαετία του 1880, η υιοθέτηση του το ατσάλινο πλαίσιο άλλαξε την αρχιτεκτονική για πάντα. Ο χάλυβας επέτρεψε στους αρχιτέκτονες να σχεδιάσουν ψηλότερα κτίρια με μεγαλύτερα παράθυρα, δημιουργώντας τους ουρανοξύστες που ορίζουν τον ορίζοντα των πόλεων σήμερα.

Από τη βιομηχανική επανάσταση, τα δομικά υλικά έχουν περιοριστεί σε μεγάλο βαθμό σε μια σειρά από στοιχεία μαζικής παραγωγής. Από χαλύβδινες δοκούς μέχρι πάνελ από κόντρα πλακέ, αυτό το τυποποιημένο κιτ εξαρτημάτων έχει ενημερώσει τον σχεδιασμό και την κατασκευή κτιρίων για περισσότερα από 150 χρόνια.

Αυτό μπορεί να αλλάξει σύντομα με τις προόδους σε αυτό που ονομάζεται "μεγάλης κλίμακας παραγωγή προσθέτων.» Από την υιοθέτηση του χαλύβδινου σκελετού δεν υπήρξε ανάπτυξη με τόσες δυνατότητες να μεταμορφώσει τον τρόπο σύλληψης και κατασκευής των κτιρίων.

Η μεγάλης κλίμακας κατασκευή προσθέτων, όπως η τρισδιάστατη εκτύπωση επιτραπέζιου υπολογιστή, περιλαμβάνει την κατασκευή αντικειμένων ένα στρώμα τη φορά. Είτε πρόκειται για πηλό, σκυρόδεμα ή πλαστικό, το υλικό εκτύπωσης εξωθείται σε ρευστή κατάσταση και σκληραίνει στην τελική του μορφή.


εσωτερικά εγγραφείτε γραφικό


Ως διευθυντής του το Ινστιτούτο Έξυπνων Δομών στο Πανεπιστήμιο του Τενεσί, είχα την τύχη να δουλέψω σε μια σειρά από έργα που αναπτύσσουν αυτή τη νέα τεχνολογία.

Ενώ εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένα εμπόδια για την ευρεία υιοθέτηση αυτής της τεχνολογίας, μπορώ να προβλέψω ένα μέλλον στο οποίο τα κτίρια θα χτίζονται εξ ολοκλήρου από ανακυκλωμένα υλικά ή υλικά που προέρχονται από τις εγκαταστάσεις, με μορφές εμπνευσμένες από τις γεωμετρίες της φύσης.

Πολλά υποσχόμενα πρωτότυπα

Μεταξύ αυτών είναι το Trillium Pavilion, μια υπαίθρια δομή τυπωμένη από ανακυκλωμένο Πολυμερές ABS, ένα κοινό πλαστικό που χρησιμοποιείται σε ένα ευρύ φάσμα καταναλωτικών προϊόντων.

Οι λεπτές, διπλές καμπύλες επιφάνειες της δομής ήταν εμπνευσμένες από τα πέταλα του το ομώνυμο λουλούδι του. Το έργο σχεδιάστηκε από φοιτητές, τυπώθηκε από τη Loci Robotics και κατασκευάστηκε στο Ερευνητικό Πάρκο του Πανεπιστημίου του Τενεσί στο Cherokee Farm στο Knoxville.

Άλλα πρόσφατα παραδείγματα παραγωγής πρόσθετων μεγάλης κλίμακας περιλαμβάνουν Tecla, μια πρωτότυπη κατοικία 450 τετραγωνικών ποδιών (41.8 τετραγωνικών μέτρων) που σχεδιάστηκε από τον Mario Cucinella Architects και τυπώθηκε στη Massa Lombarda, μια μικρή πόλη στην Ιταλία.

Το Tecla κατασκευάστηκε από πηλό τοπικής προέλευσης.
Το Tecla κατασκευάστηκε από πηλό τοπικής προέλευσης.
Αρχιτέκτονες Mario Cucinella

Οι αρχιτέκτονες τύπωσαν το Tecla από πηλό που προερχόταν από ένα τοπικό ποτάμι. Ο μοναδικός συνδυασμός αυτού του φθηνού υλικού και της ακτινωτής γεωμετρίας δημιούργησε μια ενεργειακά αποδοτική μορφή εναλλακτικής στέγασης.

Πίσω στις ΗΠΑ, η αρχιτεκτονική εταιρεία Lake Flato συνεργάστηκε με την κατασκευαστική εταιρεία τεχνολογίας ICON για την εκτύπωση εξωτερικών τοίχων από σκυρόδεμα για ένα σπίτι με τίτλο "Σπίτι Μηδέν” στο Ώστιν του Τέξας.

Το σπίτι των 2,000 τετραγωνικών ποδιών (185.8 τετραγωνικών μέτρων) δείχνει την ταχύτητα και την αποτελεσματικότητα του τρισδιάστατου εκτυπωμένου σκυροδέματος και η δομή εμφανίζει μια ευχάριστη αντίθεση μεταξύ των καμπυλόγραμμων τοίχων και του εκτεθειμένου ξύλινου σκελετού του.

Η διαδικασία σχεδιασμού

Η μεγάλης κλίμακας κατασκευή προσθέτων περιλαμβάνει τρεις γνωστικούς τομείς: ψηφιακό σχεδιασμό, ψηφιακή κατασκευή και επιστήμη υλικών.

Αρχικά, οι αρχιτέκτονες δημιουργούν μοντέλα υπολογιστή όλων των στοιχείων που θα εκτυπωθούν. Αυτοί οι σχεδιαστές μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιήσουν λογισμικό για να δοκιμάσουν πώς τα εξαρτήματα θα ανταποκριθούν στις δομικές δυνάμεις και να τροποποιήσουν ανάλογα τα εξαρτήματα. Αυτά τα εργαλεία μπορούν επίσης να βοηθήσουν τον σχεδιαστή να καταλάβει πώς να μειώσει το βάρος των εξαρτημάτων και να αυτοματοποιήσει ορισμένες διαδικασίες σχεδιασμού, όπως η εξομάλυνση σύνθετων γεωμετρικών τομών, πριν από την εκτύπωση.

Ένα κομμάτι λογισμικού γνωστός ως τεμαχιστής στη συνέχεια μεταφράζει το μοντέλο του υπολογιστή σε ένα σύνολο οδηγιών για τον τρισδιάστατο εκτυπωτή.

Μπορείτε να υποθέσετε ότι οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές λειτουργούν σε σχετικά μικρή κλίμακα - σκεφτείτε ΘΗΚΕΣ ΚΙΝΗΤΟΥ και θήκες οδοντόβουρτσας.

Αλλά η πρόοδος στην τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης επέτρεψε το υλικό να κλιμακωθεί με σοβαρό τρόπο. Μερικές φορές η εκτύπωση γίνεται μέσω αυτού που ονομάζεται ένα σύστημα που βασίζεται σε σκελετό – ένα ορθογώνιο πλαίσιο από συρόμενες ράγες παρόμοιο με έναν επιτραπέζιο 3D εκτυπωτή. Ολο και περισσότερο, ρομποτικά όπλα χρησιμοποιούνται λόγω της ικανότητάς τους να εκτυπώνουν με οποιονδήποτε προσανατολισμό.

Οι ρομποτικοί βραχίονες επιτρέπουν μεγαλύτερη ευελιξία στη διαδικασία κατασκευής.

 

Η τοποθεσία εκτύπωσης μπορεί επίσης να διαφέρει. Τα έπιπλα και τα μικρότερα εξαρτήματα μπορούν να εκτυπωθούν σε εργοστάσια, ενώ ολόκληρα σπίτια πρέπει να εκτυπωθούν επιτόπου.

Μια σειρά υλικών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μεγάλης κλίμακας κατασκευή πρόσθετων. Το σκυρόδεμα είναι μια δημοφιλής επιλογή λόγω της οικειότητας και της αντοχής του. Ο πηλός είναι μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική λύση γιατί μπορεί να συλλεχθεί επιτόπου – κάτι που έκαναν οι σχεδιαστές της Tecla.

Όμως τα πλαστικά και τα πολυμερή θα μπορούσαν να έχουν την ευρύτερη εφαρμογή. Αυτά τα υλικά είναι απίστευτα ευέλικτα και μπορούν να διαμορφωθούν με τρόπους που ικανοποιούν ένα ευρύ φάσμα συγκεκριμένων δομικών και αισθητικών απαιτήσεων. Μπορούν επίσης να παραχθούν από ανακυκλωμένα και οργανικά παραγόμενα υλικά.

Έμπνευση από τη φύση

Επειδή η κατασκευή προσθέτων δημιουργεί στρώμα προς στρώμα, χρησιμοποιώντας μόνο το υλικό και την ενέργεια που απαιτούνται για την κατασκευή ενός συγκεκριμένου εξαρτήματος, είναι μια πολύ πιο αποτελεσματική διαδικασία κατασκευής από «αφαιρετικές μεθόδους», που περιλαμβάνουν την αποκοπή της περίσσειας υλικού - σκεφτείτε να φρεζάρετε μια δοκό ξύλου από ένα δέντρο.

Ακόμη και τα κοινά υλικά όπως το σκυρόδεμα και τα πλαστικά επωφελούνται από την τρισδιάστατη εκτύπωση, καθώς δεν υπάρχει ανάγκη για πρόσθετους ξυλότυπους ή καλούπια.

Τα περισσότερα δομικά υλικά σήμερα παράγονται μαζικά σε γραμμές συναρμολόγησης που έχουν σχεδιαστεί για να παράγουν τα ίδια εξαρτήματα. Μειώνοντας παράλληλα το κόστος, αυτή η διαδικασία αφήνει ελάχιστο χώρο για προσαρμογή.

Δεδομένου ότι δεν υπάρχει ανάγκη για εργαλεία, φόρμες ή μήτρες, η μεγάλης κλίμακας κατασκευή προσθέτων επιτρέπει σε κάθε εξάρτημα να είναι μοναδικό, χωρίς χρονική ποινή για πρόσθετη πολυπλοκότητα ή προσαρμογή.

Ένα άλλο ενδιαφέρον χαρακτηριστικό της μεγάλης κλίμακας κατασκευής προσθέτων είναι η ικανότητα παραγωγής πολύπλοκων εξαρτημάτων με εσωτερικά κενά. Αυτό μπορεί μια μέρα να επιτρέψει την εκτύπωση των τοίχων με αγωγούς ή αγωγούς που έχουν ήδη τοποθετηθεί.

Επιπλέον, διεξάγεται έρευνα να διερευνήσει τις δυνατότητες της τρισδιάστατης εκτύπωσης πολλαπλών υλικών, μια τεχνική που θα μπορούσε να επιτρέψει την πλήρη ενσωμάτωση των παραθύρων, της μόνωσης, της δομικής ενίσχυσης –ακόμη και της καλωδίωσης– σε ένα ενιαίο εκτυπωμένο εξάρτημα.

Μια από τις πτυχές της κατασκευής προσθέτων που με ενθουσιάζει περισσότερο είναι ο τρόπος με τον οποίο το δομικό στρώμα, με ένα υλικό που σκληραίνει αργά, αντικατοπτρίζει τις φυσικές διαδικασίες, όπως ο σχηματισμός κελύφους.

Ένα τρισδιάστατο εκτυπωμένο σπίτι στη Σαγκάη
Ένα τρισδιάστατο εκτυπωμένο σπίτι στη Σαγκάη που χτίστηκε σε λιγότερο από 3 ώρες από σκουπίδια.
Visual China Group / Getty Images

Αυτό ανοίγει παράθυρα ευκαιριών, επιτρέποντας στους σχεδιαστές να εφαρμόσουν γεωμετρίες που είναι δύσκολο να παραχθούν χρησιμοποιώντας άλλες μεθόδους κατασκευής, αλλά είναι κοινές στη φύση.

Δομικά κουφώματα εμπνευσμένο από τη λεπτή δομή των οστών των πουλιών θα μπορούσε να δημιουργήσει ελαφριά πλέγματα σωλήνων, με διαφορετικά μεγέθη που αντανακλούν τις δυνάμεις που ασκούνται πάνω τους. Προσόψεις που προκαλούν τα σχήματα των φύλλων των φυτών μπορεί να σχεδιαστεί για να σκιάζει ταυτόχρονα το κτίριο και να παράγει ηλιακή ενέργεια.

Ξεπερνώντας την καμπύλη μάθησης

Παρά τις πολλές θετικές πτυχές της μεγάλης κλίμακας κατασκευής προσθέτων, υπάρχουν ορισμένα εμπόδια στην ευρύτερη υιοθέτησή τους.

Ίσως το μεγαλύτερο που πρέπει να ξεπεραστεί είναι η καινοτομία του. Υπάρχει μια ολόκληρη υποδομή χτισμένη γύρω από παραδοσιακές μορφές κατασκευής όπως χάλυβας, σκυρόδεμα και ξύλο, οι οποίες περιλαμβάνουν αλυσίδες εφοδιασμού και οικοδομικούς κώδικες. Επιπλέον, το κόστος του υλικού ψηφιακής κατασκευής είναι σχετικά υψηλό και οι ειδικές δεξιότητες σχεδιασμού που απαιτούνται για την εργασία με αυτά τα νέα υλικά δεν έχουν ακόμη διδαχθεί ευρέως.

Προκειμένου η τρισδιάστατη εκτύπωση στην αρχιτεκτονική να υιοθετηθεί ευρύτερα, θα πρέπει να βρει τη θέση της. Παρόμοιο με το πώς Η επεξεργασία κειμένου βοήθησε στη διάδοση των επιτραπέζιων υπολογιστών, νομίζω ότι θα είναι μια συγκεκριμένη εφαρμογή της μεγάλης κλίμακας κατασκευής προσθέτων που θα οδηγήσει στην κοινή χρήση του.

Ίσως θα είναι η ικανότητά του να εκτυπώνει δομικά πλαίσια υψηλής απόδοσης. Βλέπω επίσης ήδη την υπόσχεσή του για τη δημιουργία μοναδικών γλυπτικών προσόψεων που μπορούν να ανακυκλωθούν και να εκτυπωθούν στο τέλος της ωφέλιμης ζωής τους.

Είτε έτσι είτε αλλιώς, φαίνεται πιθανό ότι κάποιος συνδυασμός παραγόντων θα διασφαλίσει ότι τα μελλοντικά κτίρια, σε κάποιο μέρος, θα εκτυπωθούν σε 3D.Η Συνομιλία

Σχετικά με το Συγγραφέας

Τζέιμς Ρόουζ, Διευθυντής του Ινστιτούτου Έξυπνων Δομών, Πανεπιστήμιο του Τενεσί

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύθηκε από το Η Συνομιλία υπό την άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.