數字泥土(四) 建築泥土的數字應用

數字泥土(一)至(三) 中我們主要探討了3D列印等數字製造技術對於「陶土」在工藝範疇中的應用。脫離了工作室的小環境，其他類型的「泥土」，比如水泥、黏土、砂石等，在空間和尺度更大的建築領域也有非常廣泛的應用。本篇我們就來看看建築泥土的數字化應用。

用黏土建造房子有幾千年的歷史，至今在一些地區比如美國New Mexico (新墨西哥州)的Santa Fe和Taos等城市的印第安人仍然延續著這一古老的建築傳統。雖然如今建築多用鋼筋水泥這些工業「硬」材料，但越來越多的建築師開始重新關注傳統的、來自自然的、相對「軟」 的建築材料，(比如日本建築師隈研吾Kengo Kuma的「負建築」哲學)。

伊朗巴姆古城(Arg-é Bam)：世界上最大的黏土建築，500BC

黏土建築，Santa Fe, New Mexico

數字製造技術的興起為建築師探索天然建築材料提供了更多可能。建築尺度的3D列印首當其衝。3D列印對於建築的意義不僅在於自動化和一體化建造，還對建築的本土化和可持續性有重大的意義。試想，如果我們無需運輸大量工業建築原料到建築工地，而可以利用當地的泥土和沙礫直接來3D列印，就能節約能源、提高效率，這對於欠發達地區的社區建設將十分有益。3D列印技術的開源也使得3D印表機可以成為建築師、設計師甚至普通市民可使用的工具，雖然不可能人人都在建築尺度列印，但即便列印小尺度建築原型也有利於快速測試建築思路、探討建築方案以及進行實驗性的嘗試。

Serpentine就是一款建築用3D印表機的原型，其開發目標是成為可以供建築師甚至普通市民使用的價格低廉且技術開源的建築用3D印表機。它是由舊金山的Future Cities Lab (未來城市實驗室) 和CCA (California College of the Arts 加州藝術學院) 聯合開發的，目前還處於小尺度原型階段。Serpentine在測試階段使用了黏土/陶土作為列印材料，因為黏土/陶土具有良好的尺度上的擴展性，既適合製作桌面尺度的器具，也能用來建造建築尺度的空間結構。雖然Serpentine列印出來的黏土原型看上去跟之前介紹過的3D列印泥土很類似，但它們的目的性是不同的。

Serpentine黏土列印原型探索建築列印的延展性

義大利公司WASP的3D列印建築與Serpentine的探索類似，不過他們已經在建築尺度上做原型了。早在2012年WASP就展示了室外大型建築用3D印表機，用泥土為材料現場作業列印建築結構，雖然還達不到居住標準，但可以說是里程碑式的嘗試。

WASP大型建築印表機

位於加州伯克利的Emerging Objects工作室對於建築尺度3D列印進行了很多有意思的探索。Emerging Objects沒有從大尺度整體建築3D列印入手，而是從建築結構的基本單元 - 「磚塊」作為列印對象，並探索了各種傳統及非傳統材料在建築列印中的應用。Emerging Objects設計了一種中間帶有孔洞、可以方便相互拼接又帶有有機美感的建築外牆「元」方塊，叫做Picoroco Block。用Picoroco Block搭建起來的外牆結構不僅美觀而且透光性也很好，既有建築功能又能提供藝術裝置般的體驗。改變普通Picoroco Block的曲面走向，還可以使搭建出來的牆面呈現波浪的有機形態。(Emerging Objects的探索不止針對於泥土類的建築材料，這裡一併進行介紹因為有助於對其研究方向的理解。)

橙色PLA列印Picoroco Block直面牆

藍色亞克力列印Picoroco Block曲面牆

用類似的方塊單元建築方法，Emerging Objects用回收的核桃木木屑列印了一個鏤空屏風，其靈感來源於核桃木細胞在顯微鏡下的形態。

核桃木3D列印屏風

利用灣區海域產的海鹽，Emerging Objects3D列印了一個輕薄半透明的海鹽小屋。這個建築結構一共使用了336塊3D列印的海鹽建築方塊，每一塊的形態都有所不同。3D列印技術使得方塊形態上的差異可以輕易實現而無需增加成本，這對於建造有機形態的空間結構尤其有益。

海鹽小屋

Emerging Objects還開發了一種可用於3D列印的水泥材料。利用這種材料，他們設計了一種結合室內小型盆栽的六角形牆磚，可以快速通過3D列印製出不同的牆磚形態並隨意拼裝起來。他們用同種水泥材料利用類似海鹽小屋的建造方法，搭建了一個高約3米的半開放水泥結構Bloom，水泥磚上的鏤空形成了花瓣的圖案，為伯克利校園增添了一道風景線。

盆栽牆磚

水泥建築結構Bloom

Emerging Objects還探索了用砂石作為列印原材料的建築列印。用砂石列印出來的磚塊結構非常堅硬，還有抗震的效果。

用砂石3D列印的柱子

從傳統的蒸發降溫裝置中獲得啟發，Emerging Objects還設計了一種內有很多小孔洞的3D列印陶瓷磚，可以通過孔洞中水分的蒸發，使得熱空氣在進入室內的過程中得以冷卻，形成天然的製冷效果。

Cool Brick 製冷陶瓷磚

同樣關注於建築磚塊的列印，來自Design Lab Workshop(設計實驗工作坊)的Brian Peters開展了名為Building Bytes(建築元)的研究項目，探索3D列印建築磚塊的結構和應用。Building Bites所用的3D印表機就是最普通的桌面3D印表機，但其擠出材料的是結構部分是Peters定製的，可以適應各種軟性可流動材料，包括水泥、黏土、陶瓷等。這一改進使用戶可以自由地融入建築當地熟悉且易獲得的材料作為列印原材料。

Building Bytes還探索了不同的磚塊結構對於建築的影響。磚塊形態的優化可以在減輕磚塊重量的同時增強其支撐強度，而特別設計的具有鏈接結構的磚塊則可以直接連接，無需水泥等其它材料作為黏合填充。雖然磚塊的生產方式是新型的，但磚塊的建造方式與傳統建造方法無異，因而可以迅速運用到實際生產建造中。

Building Bytes的蜂窩型磚塊和兩種搭建方式

X型磚塊和搭建結構展示

不同結構的3D列印建築磚塊

不同磚塊可搭建的不同建築結構

小結

3D列印泥土在工作室內的工藝型應用和在建築領域的應用除了尺度上的差別外還有什麼不同呢？環境因素是其中很重要的一點。工作室中的3D印表機處於一個相對穩定的環境中，其環境參數可控，列印可重複性高；而將一個3D印表機單純的放大，放置在建築工地中，理論上它可以照樣列印，但建築工地是處於開放空間而非封閉可控環境之中，溫度、濕度、極端天氣等都會對列印結果造成影響。而同樣的模型文件在不同地點進行建築也可能因為環境不同出現完全不同的結果。針對這個問題，有兩種主流的解決方案。一種是將生產建造的流程更加智能化，一邊監測環境因素的變化，一邊實時調整建造策略，形成一個即時反饋系統。第二種則是將3D列印的部分盡量室內化，在工廠預先製造出需要保持精準度的結構 (pre-fabricated parts)，只將最後一步組裝 (assembly)留到工地上，我們文中介紹的針對建築磚塊的3D列印就屬於這種解決方案。

近年來我們天朝在大型建築3D印表機上很有發展。因為與國外的探索路子不大一樣所以後面單獨拿出來介紹。

數字泥土(五)將繼續探討數字製造技術特別是機械臂在建築領域的新型應用。