3D打印建筑 设计弹性快速兴建 庞大发展潜力 ｜STEM教室
2024-11-27 14:00 
3D打印技术源自上世纪末，初期主要用以快速制作模型，又或是制造装饰品及小零件。随着人们不断的研究，打印方式及物料应用都得以改良，令我们可以印出更多细小而精确的物件，现时3D打印的准确度可低至纳米大小，这亦扩阔3D打印的应用范围。
不过，除了向小物件探索，愈来愈多研究亦向体积大的东西发展，例如车、船等等。3D打印屋亦是一个热门话题，全球各地都有团队尝试以全新方式兴建房屋，甚至已推出供人居住。究竟3D打印屋比传统楼宇有甚么优势？要扩阔规模至社区层面又会遇上甚么挑战？
外国3D打印屋例子：
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3D打印原理初探
在认识3D打印屋是如何打造之前，让我们先了解一下其实甚么是3D打印。顾名思义，与印在平面的纸张相对，3D打印就是要「列印」一份立体物件。最初这并不是一件容易的事，因为除了「长」和「阔」的维度，我们还要加入「高」这个维度的资讯。
直至上世纪八十年代，增材制造（additive manufacturing）物料和装置开始发展起来，配合人们对光聚合反应（photopolymerization）的认识，第一代3D打印技术——又称作立体光刻造型（stereolithography，简称SLA）——终于诞生。
分子碰撞与稳定
我们平日用的塑胶又称聚合物，是由很多小分子通过化学连结（称为「键」）连成一条很长的分子。一个小分子本来处于稳定状态，但当外部刺激破坏分子里的键时，分 子会变成不稳定的自由基，并希望与其他分子碰撞，重新形成键并转回稳定。
然而，这些碰撞会破坏更多其他本来稳定的分子，变相制造更多自由基，于是需要连结更多分子来获得键的形成。通过不断循环，原来的分子会变得愈来愈长，最后形成 聚合物，这个过程亦称作聚合反应。因应分子的长度与密度，聚合物亦会有不同硬度。而利用紫外光作外部刺激启动聚合过程，就称为光聚合反应。
物件「切片」列印
用在3D打印，首先我们须在电脑软件把要列印的物件「切成一片片」，亦即让电脑知道每一层哪个位置须要打印出来。我们所用的「墨水」是一缸液态树脂，它是一种光聚合物，遇到紫外光时会变成固体，而这个缸亦浸着一个可上下移动的平台，平台底部会连接即将打印出来的3D物件。这时，紫外光会射向受电脑控制的镜子组合，反射到树脂指定位置，从而形成第一层固体。
之后，平台会向上移动一层，紫外綫再次通过镜子射进树脂，打印第二层，如此类推。完成后，平台会把整个3D物件从树脂取出，我们只要冲走附在表面的树脂，并加上一些后期制作，就能完成一件3D作品。
新模式简单便利
后来，3D打印衍生出一种新模式，叫熔融沉积成型（fused deposition modeling， 简称FDM）。这个方式比较直截了当，我们同样须要先在电脑把物件切成一层层资 讯，但其后就像挤牙膏一样，利用一些在高温时可流动，低温时会硬化的热塑性塑料 （thermoplastic）作为打印物料，经过能够前后左右移动的高温喷嘴，挤在可以上下移动的平台上冷却，从而构成三维物件。 这种打印方法的成品虽然较粗糙，但步骤比较简单，后制也较少，因此大家通常见到的3D打印机都是以这方式操作。
当3D打印伸延至建筑
自从3D打印机面世后，不少人都尝试改良，例如收窄喷嘴尖端，令其可以制作更细致的物件。哈佛大学刘易斯教授（Jennifer A. Lewis）团队则从打印物料着手，利用一种非牛顿流体（称为剪切稀化物料，shear thinning），能够如熔岩、血液或朱古力酱般，在遭遇变形时降低黏度（即流畅地在喷嘴里移动及挤出），反之则提升，这就能在打印后，物件能维持其形状。
生物塑料打印「积木屋」
而当我们去到建筑层面，打印大型物件时，就不用过于精细，至少不用做到微米级别的准确度。2013年，荷兰建筑公司 DUS Architects 于阿姆斯特丹运河旁，以其特色运河住宅为灵感建设3D打印房屋。他们以生物塑料（源自可再生的生物原料）作打印物料，通过FDM方式打印成一个个类似积木的物体，再堆叠成一间八平方米的迷你屋。但这看来并非简单直接的方法。
新设计省时合守则
其后，人们开始做到直接打印。德国公司 PERI 于2020年在贝库姆市建设了一座面积一百六十平方米的两层高楼房。
利用COBOD 3D打印系统，打印钻头能够在一个安装好的金属框架中作任意三维移动；至于物料方面，他们与建筑物料公司 HeidelbergCement 合作，采用一种名为 「i.tech 3D」的乾砂浆材料，里面包括矿物和添加剂，从而令其容易泵送及挤出，而且每一层打印物料间的黏合力更强。系统能以极少人手（两个人）操作，并可快速打印（五分钟完成一平分米复式墙），更重要的是，设计通过德国建筑守则，亦即意味着未来可以利用相近方式建造更多楼宇。
特制混凝土抗极端天气
有了成功例子，建筑商自然希望能快速兴建多间住房，甚至制造一个3D打印社区。去年建筑技术初创公司 ICON 与丹麦建筑事务所 B.I.G. 一起设计于德州奥斯汀市兴建一百间3D打印住宅，当中 ICON 的 Vulcan 建筑系统使用一个十五尺高的3D打印机印出混凝土框架，能于一周内盖好一层高的楼房。
这款特制混凝土称为 LavaCrete，抗压强度达 3500 psi（大气压力约为15 psi），能够抵御极端天气和减低天然灾害的影响，以提供最高效能，而且可以在高速打印时保持想要的形状，所以能够印出弯曲的墙壁等创意设计，并可加快建筑进度，这技术对于出现房屋短缺的美国而言绝对是一大优势。
补充资料
3D打印屋的优势
虽然上述例子都展示3D打印房屋的可行性，但究竟相对传统建筑方法而言，3D打印能额外带来甚么好处呢？以下让我们探讨一下。
1. 更快
由于我们再不用一砖一瓦兴建房屋，而且打印技术提升令打印物料能迅速从钻头挤出，3D打印屋能够很快建成。美国3D建筑公司 SQ4D 现已接受顾客定单， 并以其ARCS（Autonomous Robotic Construction System）系统于数天内完成打印。而人们亦尝试配合建筑资讯模型（BIM）及人工智能等科技，提升建筑效率。
2. 更环保
建筑相关活动（如制作建材、运输物料）所产生的碳排放占全球总制造量的 39%，因此我们有必要改变整个行业，在制作过程中把排放量减至最少。利用3D打印，我们需要多少建筑材料就打印多少，减少浪费。而传统建筑其中重要的一环就是混凝土的使用；混凝土由水泥制成，过程中消耗大量能源，所排放的温室气体占人类活动总排放量的8%。虽然一些3D打印项目仍以混凝土为主要物料，但亦有研究团队尝试利用可循环再用的天然物料，如竹或泥土，以减少碳足迹。
3. 更便宜
3D打印其中一个好处就是减少浪费，亦即能够降低在打印如墙身和根基时的物料需求量，从而降低成本。此外，3D打印机能够代替大量人手工作，很多项目可以减至只需三数个建筑工人就能完成，因此大大节省人力成本。有英国研究发现，3D打印屋将能比一般房屋便宜约三成半。之前提及过的 ICON 亦有其他3D打印房屋项目，包括于墨西哥塔巴斯科建造500间价格较相宜的房屋予低收入家庭等。
4. 更灵活
只要先在电脑模型设计好想要的结构和造型，3D打印就能建造出来，例如弯曲墙壁能减低室内湿度，预留接驳电力的位置就可打造智能家居等。美国太空总署曾推出一个火星建筑挑战，胜出作品 Marsha 正是一个利用玄武岩及生物塑料打印成的垂直蛋形设计。
想一想：3D打印屋的挑战
3D打印屋确实有庞大发展潜力，不过面前仍然有不少挑战。
首先，虽然一些项目已经通过政府建筑守则，但如何以此作量化生产，又或是兴建更高楼宇，还是有待研究。扩阔至社会层面，纵然3D打印屋或有助解决房屋短缺问题，但楼价未必会大幅下降，以奥斯汀项目为例，发展商初步计画定价就与同区楼价相若；而且建筑人手需求减少，对一些拥有大量建筑工人或是人力成本低的国家而言，或会带来一定经济冲击。看来要令此技术全面普及化，科技与建筑行业还要继续努力。
文：刘心 图片：星岛图片库、Parametric Architecture、Formlabs、coesum.it、3D打印房屋@ArchDaily、3D打印社区@ArchDaily、3D打印材料@ArchDaily、维基百科
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