編者按：3D打印技術在建築領域的應用已越來越多，它正逐步重塑我們的居住環境。在全球範圍內，尤其是面臨住房問題更爲緊迫的西方國家，各國正加速探索3D打印建造住宅的潛力。本文深入探討了美國在建築領域3D打印技術的發展現狀及其領軍企業，這同時也爲我們探索未來建築新途徑提供了參考。

來源 | Smithsonian

作者 | Jim Morrison

編譯 | 資源庫施工速度更快、更清潔、更便宜，但還需要進行一些試驗和錯誤。

圖片來源：ICON

在一塊狹小的空地上，緊挨著一塊寫有“人類棲息地：3D生活展示”的標牌，塞拉·羅馬斯（Sierra Romas）注視著軌道上移動的龍門架噴頭，它一層層地噴塗混凝土，總共166層，每層不到一英寸厚——建造她的三居室房子的牆壁。“看著機器完成所有工作真是令人震驚，非常超現實。”一個冬日夜晚，她坐在與兩個兒子共住的成品房客廳裏，這樣說道。這座位于弗吉尼亞州紐波特紐斯的超現實3D打印房屋，被出售給了Sierra，它爲解決日益嚴峻的經濟適用房問題提供了一個潛在的解決方案，這是國家低收入住房聯盟正在解決的問題。根據美國住房聯盟的統計數據表示，住房需求已經超過了700萬套。

弗吉尼亞州仁人家園半島和大威廉斯堡分會建造了三座3D打印房屋，圖片來源：Alquist 3D

混凝土打印的速度更快——Sierra的1300平方英尺住宅的牆壁僅用了約40小時就建成了。它還比傳統的木結構建築便宜，而木結構建築在過去一個世紀幾乎未見變化。Sierra的家是仁人家園半島和大威廉斯堡分會建造的第三個房屋。該分會的首席執行官珍妮特·格林（Janet Green）表示，每套房屋的造價都低于以前。Sierra的房屋打印成本約爲21.5萬美元，比第一個項目少了2.5萬美元；該地塊並非市住房管理局所管轄。“我們估計未來3D打印房屋的最終成本約爲18萬至19萬美元，”她說。目前，該地區同等面積的房屋平均挂牌價超過26萬美元。除了速度和可負擔性之外，還有其他好處。相比于美國每年産生約6億噸建築廢料，3D打印施工更加清潔，因而減少了浪費。此外，3D打印的房屋更節能，因爲混凝土具有更好的隔熱性能，降低了供暖和制冷成本。它們遭火災或爆炸的可能性也大大降低，因此可能會降低保險費用。打印牆壁和有時打印地基的自動化同時減少了勞動力需求——3D打印機只需一到兩人操作——這在建築工人短缺時尤其重要。

正在建造中的房屋牆壁，圖片來自：Alquist 3D

打印這三棟Habitat住房的Alquist 3D公司去年在得到市和州政府400萬美元激勵措施的吸引下，將總部從愛荷華州遷至科羅拉多州格裏利。該公司計劃在那裏建造100棟住宅，作爲擁有300棟住宅的仁人家園項目的一部分。它還與Aims社區學院合作，開設了3D打印課程，以培養擴大此技術影響所需的工人。

由100棟3D打印房屋組成的社區，圖片來自：ICON

3D打印建築市場的最大參與者是位于德克薩斯州的Icon，該公司擁有400多名員工。Icon正在與美國第二大住宅建築商Lennar合作，在德克薩斯州奧斯汀郊區打印100棟包含500個單元的住宅項目，該項目的建築結構由Bjarke Ingels Group共同設計，以應對那裏的住房成本飙升。奧斯汀地區同等面積的房屋中位價超過80萬美元，但這些單位目前的價格在46.9萬美元至57.9萬美元之間。每座打印房屋的外牆和內牆在兩周內完成，而傳統裝修則需約六個月完成。居民最近搬進了首批出售的房屋。“我們顯著節省了時間，這當然轉化爲了成本和融資方面的巨大優勢，”Icon的建築性能和設計副總裁Melodie Yashar表示。

ICON負責3D打印月球棲息地的渲染圖，圖片來自：ICON

該公司還打印了軍營，並設定了宏偉的目標。它已經籌集了超過4.3億美元的資金，並與NASA簽訂了一份價值5700萬美元的合同，用于開發月球棲息地。“如果我們能以一半的時間和一半的成本建造出性能加倍的房屋，會怎樣呢？”Icon的首席執行官Jason Ballard在2022年的一次會議上提問。“我們能解決什麽問題？我們面前會出現什麽樣的機會？”Icon與位于拉丁美洲的舊金山非盈利建築住房New Story合作，打印了一個住房社區，爲墨西哥的極端貧困人口提供援助。3月份，Icon將宣布名爲Initiative 99的全球100萬美元競賽的獲勝者，該競賽旨在爲3D打印房屋進行設計，建造成本爲9.9萬美元。該公司已收到來自60個國家的數百份提交材料。爲了展示可能性，Icon將在其一個項目中構建一項或多項獲獎設計。“Initiative 99是我們舉辦的一項全球競賽，旨在發現來自建築專業人士和學生的關鍵設計，他們可以真正改變和轉變迄今爲止關于經濟適用住房的討論，”Yashar說。

機器人3D打印機Vulcan，圖片來自：ICON

兩家公司采取了不同的方法。Alquist是一家購買或租賃打印機的建築公司。Icon是一家與建築公司合作的制造商，它擁有一種名爲Vulcan的專有機器人機器和幾種名爲Lavacrete的混凝土混合物。Icon還提供了一套指導打印建築設計過程的軟件。到目前爲止，Alquist只打印了直的外牆，而Icon則打印了彎曲的外牆和內牆。對住房的需求，特別是經濟適用房的需求非常巨大，且已持續數十年。2021年，在美國3143個縣中有239個縣（這些地區的人口稠密，占美國所有租房者的三分之一）中，超過一半的租房者面臨“住房成本負擔重”，意味著他們將超過30%的收入用于支付租金。多年來，單戶住宅的建設並未顯著增長；到2023年，預計該數字將比2022年下降9%。全國房地産經紀人協會表示，過去20年美國出現了550萬套住房短缺。使用混凝土打印房屋的想法已經存在幾十年。它的起源可以追溯到William E. Urschel的“牆體建造機器”，該機器于1941年推出，並在三年後獲得了專利。該機器圍繞中心臂旋轉，將混凝土一層層倒入料鬥中。不過這個想法很快就消失了。2012年，南加州大學工程師Berok Khoshnevis在TED演講中提倡機器人建築後，這個想法再次引起了人們的興趣。十多年來，Khoshnevis一直在研究所謂的“輪廓工藝”。他預計這項技術將在2020年普及，並在2025年用于建造高層建築。Khoshnevis後來放棄了這一預測，去年告訴《紐約客》雜志，他認爲這項技術不會成爲行業的主流。

位于德克薩斯州喬治城的第一座3D打印住宅，圖片來自：ICON

Icon于2017年成立，Alquist于2020年成立，其創始人都是充滿熱情和願景的人，他們堅信3D打印有望解決這個看似棘手的問題。Icon的聯合創始人Ballard大學畢業後在無家可歸者收容所工作，隨後在奧斯汀創立了一家可持續建築材料公司。當他尋找能從根本上顛覆建築行業的東西時，3D打印贏得了他的心。Alquist的創始人紮卡裏·曼海默（Zachary Mannheimer）大學主修戲劇，並在紐約布魯克林經營一個政治戲劇公司。他夢想激勵持不同觀點的人，但發現布魯克林的大多數鄰居都同意他的觀點，因此他搬到了得梅因，創建了一個文化中心——得梅因社交俱樂部，然後擴展到創意場所營造和經濟領域。他在整個中西部較小社區的發展中發現，“但無論我們走到哪裏，每年的第一大問題都是住房。”他說，“無論我們是否創造了一個很酷的劇院或文化中心，甚至爲他們提供了兒童保育資金，這都不重要。如果他們沒有地方住，那一切都毫無意義。因此，我們開始探索解決住房問題的方法。2016年，我發現了3D打印房屋並對其著迷。”Icon的Yashar和Alquist的Mannheimer都清楚這項技術面臨的挑戰。“人們真的很想進入3D世界，因爲它比傳統建築省錢，”Mannheimer說。“我們相信它最終會實現。現在，它並沒有解決任何戲劇性的問題。”降低成本的關鍵是擴大施工規模。Yashar表示：“與傳統的建築方式和方法相比，3D打印的建造成本大約要便宜10%到30%。”他補充說，工地上建造的建築越多，節省的費用就越多。節省的時間（僅需兩周就可以打印牆壁）也轉化爲融資方面的增值。

ICON在奧斯汀出售的第一套房屋，圖片來自：ICON

“通過利用這項技術的成本優化和時間優化，我們實際上可以減輕我們所認爲的全球住房危機，”她補充說。Yashar表示，爲了使這項技術更加強大和更具吸引力，Icon設有一個研究和設計部門，致力于開發不同的系統，以便在不同的氣候下進行打印，同時還制定了一個測試牆體對抗龍卷風、飓風和風暴的彈性的程序。Mannheimer還表示，混凝土材料的成本需要降低以節省成本。“我們必須放棄這種做法，將材料本地化，並使其更環保、對環境更友好，”他補充道。盡管3D打印只需要一到兩個人在現場，但數千名工人需要接受技術培訓。“我們在美國進行3D打印才大約五年。它還很新。沒有人能做到完美，”Mannheimer說。“每次我們這樣做都是一個學習過程。我懷疑這一點在未來20年內都不會改變。”弗吉尼亞理工大學弗吉尼亞住房研究中心主任安德魯·麥考伊（Andrew McCoy）參與了弗吉尼亞州的三棟Habitat住宅項目，此前他發表的一項研究顯示，該州需要27.5萬套新住宅，但每年只建造2萬套。McCoy表示，市場狀況爲3D打印提供了機會。“我們處于一個獨特的位置，目前借錢的成本很高。我們很難找到勞動力。當我們找到時，我們必須培訓他們並讓他們加快速度，”他說。“材料成本確實很高。從我們開始工作到讓客戶進入大樓的時間長度已經延長。所有這些都非常適合這樣的技術。”McCoy指出，需要說服建築行業改變一個多世紀以來建造房屋的方式。他不想向建築公司提供混凝土打印機作爲最終解決方案，而是想讓他們參與産品的開發，以滿足他們的需求。“他們知道他們是通過什麽途徑來到這裏的，”他解釋說。“到目前爲止已經很成功了——爲什麽要改變呢？所以，我們想進去說，‘看，讓我們把這個放在你面前。你會如何使用它？你想如何使用它？’”如果問支持者這一過程何時會得到廣泛應用，答案是幾年，從2到20年不等。McCoy表示，與Lennar合作在德克薩斯州開展的Icon項目可以向建築商展示這種方式。但他也不相信3D混凝土打印是未來。未來可能是一個組合，包括建築部件的3D金屬和塑料打印，這也將節省時間和金錢，並且更容易獲得。目前的技術——木結構房屋——已經發展了一個多世紀。McCoy說，給3D打印時間。“出于某種原因，我們希望這些東西開箱即用，立即爲每個人賺錢，但事實並非如此，”他補充道。

Mighty Buildings制作的3D打印示範房屋，圖片來自：Mighty Buildings

Mighty Buildings是一家正在探索打印家居組件的公司，該公司獲得了勞倫斯伯克利國家實驗室和仁人家園500萬美元的撥款，用于在舊金山灣區開發可持續且經濟適用的住房。該公司還在加州的幾個社區建造淨零能耗住宅。該公司已籌集1.5億美元資金，提供一套3D打印牆板、門、窗和屋頂部件，可在四天內組裝完畢。“對開發商來說，一大好處是我們縮短了他們支付建築貸款利息的時間，”該公司創始人之一阿列克謝·杜波夫（Alexey Dubov）表示。其過程還解決了氣候危機。Mighty Buildings的合成石材料使用回收玻璃，其建造的高度隔熱的房屋以及屋頂上的太陽能電池板意味著它們可以産生與使用一樣多的能源。建築用3D打印會獲得廣泛接受嗎？Mannheimer持謹慎樂觀的態度。“解決住房問題有兩個答案。一是：公司應該向員工支付更高的工資，以承受不斷上漲的成本，當然，這是我們無法控制的，”他說。“或者我們必須降低流程中材料的成本。或者最好兩者兼而有之。這是唯一的解決辦法。所以，我認爲3D打印將在未來幾年內幫助我們實現這一目標。但我們還需要經曆更多的嘗試和錯誤。”