编者按：3D打印技术在建筑领域的应用已越来越多，它正逐步重塑我们的居住环境。在全球范围内，尤其是面临住房问题更为紧迫的西方国家，各国正加速探索3D打印建造住宅的潜力。本文深入探讨了美国在建筑领域3D打印技术的发展现状及其领军企业，这同时也为我们探索未来建筑新途径提供了参考。

来源 | Smithsonian

作者 | Jim Morrison

编译 | 资源库施工速度更快、更清洁、更便宜，但还需要进行一些试验和错误。

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在一块狭小的空地上，紧挨着一块写有“人类栖息地：3D生活展示”的标牌，塞拉·罗马斯（Sierra Romas）注视着轨道上移动的龙门架喷头，它一层层地喷涂混凝土，总共166层，每层不到一英寸厚——建造她的三居室房子的墙壁。“看着机器完成所有工作真是令人震惊，非常超现实。”一个冬日夜晚，她坐在与两个儿子共住的成品房客厅里，这样说道。这座位于弗吉尼亚州纽波特纽斯的超现实3D打印房屋，被出售给了Sierra，它为解决日益严峻的经济适用房问题提供了一个潜在的解决方案，这是国家低收入住房联盟正在解决的问题。根据美国住房联盟的统计数据表示，住房需求已经超过了700万套。

弗吉尼亚州仁人家园半岛和大威廉斯堡分会建造了三座3D打印房屋，图片来源：Alquist 3D

混凝土打印的速度更快——Sierra的1300平方英尺住宅的墙壁仅用了约40小时就建成了。它还比传统的木结构建筑便宜，而木结构建筑在过去一个世纪几乎未见变化。Sierra的家是仁人家园半岛和大威廉斯堡分会建造的第三个房屋。该分会的首席执行官珍妮特·格林（Janet Green）表示，每套房屋的造价都低于以前。Sierra的房屋打印成本约为21.5万美元，比第一个项目少了2.5万美元；该地块并非市住房管理局所管辖。“我们估计未来3D打印房屋的最终成本约为18万至19万美元，”她说。目前，该地区同等面积的房屋平均挂牌价超过26万美元。除了速度和可负担性之外，还有其他好处。相比于美国每年产生约6亿吨建筑废料，3D打印施工更加清洁，因而减少了浪费。此外，3D打印的房屋更节能，因为混凝土具有更好的隔热性能，降低了供暖和制冷成本。它们遭火灾或爆炸的可能性也大大降低，因此可能会降低保险费用。打印墙壁和有时打印地基的自动化同时减少了劳动力需求——3D打印机只需一到两人操作——这在建筑工人短缺时尤其重要。

正在建造中的房屋墙壁，图片来自：Alquist 3D

打印这三栋Habitat住房的Alquist 3D公司去年在得到市和州政府400万美元激励措施的吸引下，将总部从爱荷华州迁至科罗拉多州格里利。该公司计划在那里建造100栋住宅，作为拥有300栋住宅的仁人家园项目的一部分。它还与Aims社区学院合作，开设了3D打印课程，以培养扩大此技术影响所需的工人。

由100栋3D打印房屋组成的社区，图片来自：ICON

3D打印建筑市场的最大参与者是位于德克萨斯州的Icon，该公司拥有400多名员工。Icon正在与美国第二大住宅建筑商Lennar合作，在德克萨斯州奥斯汀郊区打印100栋包含500个单元的住宅项目，该项目的建筑结构由Bjarke Ingels Group共同设计，以应对那里的住房成本飙升。奥斯汀地区同等面积的房屋中位价超过80万美元，但这些单位目前的价格在46.9万美元至57.9万美元之间。每座打印房屋的外墙和内墙在两周内完成，而传统装修则需约六个月完成。居民最近搬进了首批出售的房屋。“我们显著节省了时间，这当然转化为了成本和融资方面的巨大优势，”Icon的建筑性能和设计副总裁Melodie Yashar表示。

ICON负责3D打印月球栖息地的渲染图，图片来自：ICON

该公司还打印了军营，并设定了宏伟的目标。它已经筹集了超过4.3亿美元的资金，并与NASA签订了一份价值5700万美元的合同，用于开发月球栖息地。“如果我们能以一半的时间和一半的成本建造出性能加倍的房屋，会怎样呢？”Icon的首席执行官Jason Ballard在2022年的一次会议上提问。“我们能解决什么问题？我们面前会出现什么样的机会？”Icon与位于拉丁美洲的旧金山非盈利建筑住房New Story合作，打印了一个住房社区，为墨西哥的极端贫困人口提供援助。3月份，Icon将宣布名为Initiative 99的全球100万美元竞赛的获胜者，该竞赛旨在为3D打印房屋进行设计，建造成本为9.9万美元。该公司已收到来自60个国家的数百份提交材料。为了展示可能性，Icon将在其一个项目中构建一项或多项获奖设计。“Initiative 99是我们举办的一项全球竞赛，旨在发现来自建筑专业人士和学生的关键设计，他们可以真正改变和转变迄今为止关于经济适用住房的讨论，”Yashar说。

机器人3D打印机Vulcan，图片来自：ICON

两家公司采取了不同的方法。Alquist是一家购买或租赁打印机的建筑公司。Icon是一家与建筑公司合作的制造商，它拥有一种名为Vulcan的专有机器人机器和几种名为Lavacrete的混凝土混合物。Icon还提供了一套指导打印建筑设计过程的软件。到目前为止，Alquist只打印了直的外墙，而Icon则打印了弯曲的外墙和内墙。对住房的需求，特别是经济适用房的需求非常巨大，且已持续数十年。2021年，在美国3143个县中有239个县（这些地区的人口稠密，占美国所有租房者的三分之一）中，超过一半的租房者面临“住房成本负担重”，意味着他们将超过30%的收入用于支付租金。多年来，单户住宅的建设并未显著增长；到2023年，预计该数字将比2022年下降9%。全国房地产经纪人协会表示，过去20年美国出现了550万套住房短缺。使用混凝土打印房屋的想法已经存在几十年。它的起源可以追溯到William E. Urschel的“墙体建造机器”，该机器于1941年推出，并在三年后获得了专利。该机器围绕中心臂旋转，将混凝土一层层倒入料斗中。不过这个想法很快就消失了。2012年，南加州大学工程师Berok Khoshnevis在TED演讲中提倡机器人建筑后，这个想法再次引起了人们的兴趣。十多年来，Khoshnevis一直在研究所谓的“轮廓工艺”。他预计这项技术将在2020年普及，并在2025年用于建造高层建筑。Khoshnevis后来放弃了这一预测，去年告诉《纽约客》杂志，他认为这项技术不会成为行业的主流。

位于德克萨斯州乔治城的第一座3D打印住宅，图片来自：ICON

Icon于2017年成立，Alquist于2020年成立，其创始人都是充满热情和愿景的人，他们坚信3D打印有望解决这个看似棘手的问题。Icon的联合创始人Ballard大学毕业后在无家可归者收容所工作，随后在奥斯汀创立了一家可持续建筑材料公司。当他寻找能从根本上颠覆建筑行业的东西时，3D打印赢得了他的心。Alquist的创始人扎卡里·曼海默（Zachary Mannheimer）大学主修戏剧，并在纽约布鲁克林经营一个政治戏剧公司。他梦想激励持不同观点的人，但发现布鲁克林的大多数邻居都同意他的观点，因此他搬到了得梅因，创建了一个文化中心——得梅因社交俱乐部，然后扩展到创意场所营造和经济领域。他在整个中西部较小社区的发展中发现，“但无论我们走到哪里，每年的第一大问题都是住房。”他说，“无论我们是否创造了一个很酷的剧院或文化中心，甚至为他们提供了儿童保育资金，这都不重要。如果他们没有地方住，那一切都毫无意义。因此，我们开始探索解决住房问题的方法。2016年，我发现了3D打印房屋并对其着迷。”Icon的Yashar和Alquist的Mannheimer都清楚这项技术面临的挑战。“人们真的很想进入3D世界，因为它比传统建筑省钱，”Mannheimer说。“我们相信它最终会实现。现在，它并没有解决任何戏剧性的问题。”降低成本的关键是扩大施工规模。Yashar表示：“与传统的建筑方式和方法相比，3D打印的建造成本大约要便宜10%到30%。”他补充说，工地上建造的建筑越多，节省的费用就越多。节省的时间（仅需两周就可以打印墙壁）也转化为融资方面的增值。

ICON在奥斯汀出售的第一套房屋，图片来自：ICON

“通过利用这项技术的成本优化和时间优化，我们实际上可以减轻我们所认为的全球住房危机，”她补充说。Yashar表示，为了使这项技术更加强大和更具吸引力，Icon设有一个研究和设计部门，致力于开发不同的系统，以便在不同的气候下进行打印，同时还制定了一个测试墙体对抗龙卷风、飓风和风暴的弹性的程序。Mannheimer还表示，混凝土材料的成本需要降低以节省成本。“我们必须放弃这种做法，将材料本地化，并使其更环保、对环境更友好，”他补充道。尽管3D打印只需要一到两个人在现场，但数千名工人需要接受技术培训。“我们在美国进行3D打印才大约五年。它还很新。没有人能做到完美，”Mannheimer说。“每次我们这样做都是一个学习过程。我怀疑这一点在未来20年内都不会改变。”弗吉尼亚理工大学弗吉尼亚住房研究中心主任安德鲁·麦考伊（Andrew McCoy）参与了弗吉尼亚州的三栋Habitat住宅项目，此前他发表的一项研究显示，该州需要27.5万套新住宅，但每年只建造2万套。McCoy表示，市场状况为3D打印提供了机会。“我们处于一个独特的位置，目前借钱的成本很高。我们很难找到劳动力。当我们找到时，我们必须培训他们并让他们加快速度，”他说。“材料成本确实很高。从我们开始工作到让客户进入大楼的时间长度已经延长。所有这些都非常适合这样的技术。”McCoy指出，需要说服建筑行业改变一个多世纪以来建造房屋的方式。他不想向建筑公司提供混凝土打印机作为最终解决方案，而是想让他们参与产品的开发，以满足他们的需求。“他们知道他们是通过什么途径来到这里的，”他解释说。“到目前为止已经很成功了——为什么要改变呢？所以，我们想进去说，‘看，让我们把这个放在你面前。你会如何使用它？你想如何使用它？’”如果问支持者这一过程何时会得到广泛应用，答案是几年，从2到20年不等。McCoy表示，与Lennar合作在德克萨斯州开展的Icon项目可以向建筑商展示这种方式。但他也不相信3D混凝土打印是未来。未来可能是一个组合，包括建筑部件的3D金属和塑料打印，这也将节省时间和金钱，并且更容易获得。目前的技术——木结构房屋——已经发展了一个多世纪。McCoy说，给3D打印时间。“出于某种原因，我们希望这些东西开箱即用，立即为每个人赚钱，但事实并非如此，”他补充道。

Mighty Buildings制作的3D打印示范房屋，图片来自：Mighty Buildings

Mighty Buildings是一家正在探索打印家居组件的公司，该公司获得了劳伦斯伯克利国家实验室和仁人家园500万美元的拨款，用于在旧金山湾区开发可持续且经济适用的住房。该公司还在加州的几个社区建造净零能耗住宅。该公司已筹集1.5亿美元资金，提供一套3D打印墙板、门、窗和屋顶部件，可在四天内组装完毕。“对开发商来说，一大好处是我们缩短了他们支付建筑贷款利息的时间，”该公司创始人之一阿列克谢·杜波夫（Alexey Dubov）表示。其过程还解决了气候危机。Mighty Buildings的合成石材料使用回收玻璃，其建造的高度隔热的房屋以及屋顶上的太阳能电池板意味着它们可以产生与使用一样多的能源。建筑用3D打印会获得广泛接受吗？Mannheimer持谨慎乐观的态度。“解决住房问题有两个答案。一是：公司应该向员工支付更高的工资，以承受不断上涨的成本，当然，这是我们无法控制的，”他说。“或者我们必须降低流程中材料的成本。或者最好两者兼而有之。这是唯一的解决办法。所以，我认为3D打印将在未来几年内帮助我们实现这一目标。但我们还需要经历更多的尝试和错误。”