3D打印建築 設計彈性快速興建 龐大發展潛力 ｜STEM教室
2024-11-27 14:00 
3D打印技術源自上世紀末，初期主要用以快速製作模型，又或是製造裝飾品及小零件。隨着人們不斷的研究，打印方式及物料應用都得以改良，令我們可以印出更多細小而精確的物件，現時3D打印的準確度可低至納米大小，這亦擴闊3D打印的應用範圍。
不過，除了向小物件探索，愈來愈多研究亦向體積大的東西發展，例如車、船等等。3D打印屋亦是一個熱門話題，全球各地都有團隊嘗試以全新方式興建房屋，甚至已推出供人居住。究竟3D打印屋比傳統樓宇有甚麼優勢？要擴闊規模至社區層面又會遇上甚麼挑戰？
外國3D打印屋例子：
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3D打印原理初探
在認識3D打印屋是如何打造之前，讓我們先了解一下其實甚麼是3D打印。顧名思義，與印在平面的紙張相對，3D打印就是要「列印」一份立體物件。最初這並不是一件容易的事，因為除了「長」和「闊」的維度，我們還要加入「高」這個維度的資訊。
直至上世紀八十年代，增材製造（additive manufacturing）物料和裝置開始發展起來，配合人們對光聚合反應（photopolymerization）的認識，第一代3D打印技術——又稱作立體光刻造型（stereolithography，簡稱SLA）——終於誕生。
分子碰撞與穩定
我們平日用的塑膠又稱聚合物，是由很多小分子通過化學連結（稱為「鍵」）連成一條很長的分子。一個小分子本來處於穩定狀態，但當外部刺激破壞分子裏的鍵時，分 子會變成不穩定的自由基，並希望與其他分子碰撞，重新形成鍵並轉回穩定。
然而，這些碰撞會破壞更多其他本來穩定的分子，變相製造更多自由基，於是需要連結更多分子來獲得鍵的形成。通過不斷循環，原來的分子會變得愈來愈長，最後形成 聚合物，這個過程亦稱作聚合反應。因應分子的長度與密度，聚合物亦會有不同硬度。而利用紫外光作外部刺激啟動聚合過程，就稱為光聚合反應。
物件「切片」列印
用在3D打印，首先我們須在電腦軟件把要列印的物件「切成一片片」，亦即讓電腦知道每一層哪個位置須要打印出來。我們所用的「墨水」是一缸液態樹脂，它是一種光聚合物，遇到紫外光時會變成固體，而這個缸亦浸着一個可上下移動的平台，平台底部會連接即將打印出來的3D物件。這時，紫外光會射向受電腦控制的鏡子組合，反射到樹脂指定位置，從而形成第一層固體。
之後，平台會向上移動一層，紫外綫再次通過鏡子射進樹脂，打印第二層，如此類推。完成後，平台會把整個3D物件從樹脂取出，我們只要沖走附在表面的樹脂，並加上一些後期製作，就能完成一件3D作品。
新模式簡單便利
後來，3D打印衍生出一種新模式，叫熔融沉積成型（fused deposition modeling， 簡稱FDM）。這個方式比較直截了當，我們同樣須要先在電腦把物件切成一層層資 訊，但其後就像擠牙膏一樣，利用一些在高溫時可流動，低溫時會硬化的熱塑性塑料 （thermoplastic）作為打印物料，經過能夠前後左右移動的高溫噴嘴，擠在可以上下移動的平台上冷卻，從而構成三維物件。 這種打印方法的成品雖然較粗糙，但步驟比較簡單，後製也較少，因此大家通常見到的3D打印機都是以這方式操作。
當3D打印伸延至建築
自從3D打印機面世後，不少人都嘗試改良，例如收窄噴嘴尖端，令其可以製作更細緻的物件。哈佛大學劉易斯教授（Jennifer A. Lewis）團隊則從打印物料着手，利用一種非牛頓流體（稱為剪切稀化物料，shear thinning），能夠如熔岩、血液或朱古力醬般，在遭遇變形時降低黏度（即流暢地在噴嘴裏移動及擠出），反之則提升，這就能在打印後，物件能維持其形狀。
生物塑料打印「積木屋」
而當我們去到建築層面，打印大型物件時，就不用過於精細，至少不用做到微米級別的準確度。2013年，荷蘭建築公司 DUS Architects 於阿姆斯特丹運河旁，以其特色運河住宅為靈感建設3D打印房屋。他們以生物塑料（源自可再生的生物原料）作打印物料，通過FDM方式打印成一個個類似積木的物體，再堆疊成一間八平方米的迷你屋。但這看來並非簡單直接的方法。
新設計省時合守則
其後，人們開始做到直接打印。德國公司 PERI 於2020年在貝庫姆市建設了一座面積一百六十平方米的兩層高樓房。
利用COBOD 3D打印系統，打印鑽頭能夠在一個安裝好的金屬框架中作任意三維移動；至於物料方面，他們與建築物料公司 HeidelbergCement 合作，採用一種名為 「i.tech 3D」的乾砂漿材料，裏面包括礦物和添加劑，從而令其容易泵送及擠出，而且每一層打印物料間的黏合力更強。系統能以極少人手（兩個人）操作，並可快速打印（五分鐘完成一平分米複式牆），更重要的是，設計通過德國建築守則，亦即意味着未來可以利用相近方式建造更多樓宇。
特製混凝土抗極端天氣
有了成功例子，建築商自然希望能快速興建多間住房，甚至製造一個3D打印社區。去年建築技術初創公司 ICON 與丹麥建築事務所 B.I.G. 一起設計於德州奧斯汀市興建一百間3D打印住宅，當中 ICON 的 Vulcan 建築系統使用一個十五呎高的3D打印機印出混凝土框架，能於一周內蓋好一層高的樓房。
這款特製混凝土稱為 LavaCrete，抗壓強度達 3500 psi（大氣壓力約為15 psi），能夠抵禦極端天氣和減低天然災害的影響，以提供最高效能，而且可以在高速打印時保持想要的形狀，所以能夠印出彎曲的牆壁等創意設計，並可加快建築進度，這技術對於出現房屋短缺的美國而言絕對是一大優勢。
補充資料
3D打印屋的優勢
雖然上述例子都展示3D打印房屋的可行性，但究竟相對傳統建築方法而言，3D打印能額外帶來甚麼好處呢？以下讓我們探討一下。
1. 更快
由於我們再不用一磚一瓦興建房屋，而且打印技術提升令打印物料能迅速從鑽頭擠出，3D打印屋能夠很快建成。美國3D建築公司 SQ4D 現已接受顧客定單， 並以其ARCS（Autonomous Robotic Construction System）系統於數天內完成打印。而人們亦嘗試配合建築資訊模型（BIM）及人工智能等科技，提升建築效率。
2. 更環保
建築相關活動（如製作建材、運輸物料）所產生的碳排放佔全球總製造量的 39%，因此我們有必要改變整個行業，在製作過程中把排放量減至最少。利用3D打印，我們需要多少建築材料就打印多少，減少浪費。而傳統建築其中重要的一環就是混凝土的使用；混凝土由水泥製成，過程中消耗大量能源，所排放的溫室氣體佔人類活動總排放量的8%。雖然一些3D打印項目仍以混凝土為主要物料，但亦有研究團隊嘗試利用可循環再用的天然物料，如竹或泥土，以減少碳足迹。
3. 更便宜
3D打印其中一個好處就是減少浪費，亦即能夠降低在打印如牆身和根基時的物料需求量，從而降低成本。此外，3D打印機能夠代替大量人手工作，很多項目可以減至只需三數個建築工人就能完成，因此大大節省人力成本。有英國研究發現，3D打印屋將能比一般房屋便宜約三成半。之前提及過的 ICON 亦有其他3D打印房屋項目，包括於墨西哥塔巴斯科建造500間價格較相宜的房屋予低收入家庭等。
4. 更靈活
只要先在電腦模型設計好想要的結構和造型，3D打印就能建造出來，例如彎曲牆壁能減低室內濕度，預留接駁電力的位置就可打造智能家居等。美國太空總署曾推出一個火星建築挑戰，勝出作品 Marsha 正是一個利用玄武岩及生物塑料打印成的垂直蛋形設計。
想一想：3D打印屋的挑戰
3D打印屋確實有龐大發展潛力，不過面前仍然有不少挑戰。
首先，雖然一些項目已經通過政府建築守則，但如何以此作量化生產，又或是興建更高樓宇，還是有待研究。擴闊至社會層面，縱然3D打印屋或有助解決房屋短缺問題，但樓價未必會大幅下降，以奧斯汀項目為例，發展商初步計畫定價就與同區樓價相若；而且建築人手需求減少，對一些擁有大量建築工人或是人力成本低的國家而言，或會帶來一定經濟衝擊。看來要令此技術全面普及化，科技與建築行業還要繼續努力。
文：劉心 圖片：星島圖片庫、Parametric Architecture、Formlabs、coesum.it、3D打印房屋@ArchDaily、3D打印社區@ArchDaily、3D打印材料@ArchDaily、維基百科
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