آشنایی با معماری چاپ سه بعدی

بر اساس گزارش تحلیل بازار ژوئیه 2021 پژوهشگران گراند ویو، پیش‌بینی می‌شود که بازار جهانی ساخت و ساز پرینت سه‌بعدی از هم اکنون تا سال 2028 در حدود 91 درصد رشد کند. تحقیقات گراند ویو همچنین بیان می‌کند که «پیاده‌سازی فناوری چاپ سه‌بعدی با دقت بالا، باعث بهبود راندمان، کاهش هزینه نیروی کار و سرعت بیشتر ساخت و ساز می‌شود.»

یکی از کشورهایی که فواید پرینت سه بعدی را به سرعت دریافته، امارات متحده عربی است. آن‌ها پیش‌تر، راهبردهایی را تعیین کرده‌اند که این کشور را در خط مقدم پذیرش معماری چاپ سه بعدی قرار می‌دهند. هدف آن‌ها این است که تا سال 2030 میلادی، 25 درصد از ساختمان‌ها در دبی بر اساس فناوری چاپ سه بعدی ساخته شوند.

در اروپا و ایالات‌متحده نیز ممکن است شاهد افزایش تعداد پروژه‌های چاپ سه بعدی باشیم. PERI GmbH کار روی بزرگ‌ترین ساختمان مسکونی چاپ شده در آلمان را در نوامبر 2020 آغاز کرد. در ایالات‌متحده نیز شاهد گسترش خانه‌های مسکونی ساخته شده با چاپ سه بعدی هستیم. در حال حاضر شرکت‌هایی مانند SQ4D و ICON در این زمینه بسیار فعال هستند. 

معماری چاپ سه بعدی نسبت به تکنیک‌های ساخت و ساز سنتی، روش ارزان‌تری برای ساخت ارائه می‌دهد. دلیل این امر هم نیاز به انرژی کمتر، نیروی کار کمتر و همچنین استفاده کارآمد از مواد است. این امکان وجود دارد که مقدار مواد مورد نیاز را به طور دقیق محاسبه کرد، در نتیجه، ضایعات و هزینه‌های ساخت و ساز نیز کمتر می‌شوند.

شرکت‌هایی مانند ICON که در ایالات‌متحده قرار دارند، در حال ساخت و ارائه خانه‌هایی با چاپ سه بعدی با سرعت بیشتر و هزینه کمتر هستند. ارائه مسکن به نیازمندان و کسانی که به دنبال گزینه‌های مسکن مقرون‌به‌صرفه تر هستند، اکنون به لطف تکامل چاپ سه بعدی به واقعیت تبدیل شده است.

یکی دیگر از مزایای معماری چاپ سه بعدی این است که سازگارتر با محیط زیست خواهد بود. بتن اغلب به عنوان ماده اولیه ساختمانی در ساخت و سازهای استاندارد استفاده می‌شود؛ اما شرکت‌های چاپ سه بعدی در حال آزمایش گزینه‌های پایدارتری مانند خاک خام، بامبو و ترموپلاستیک قابل بازیافت هستند. 

یکی از شرکت‌هایی که از این مواد در ساخت و سازهای خود استفاده می‌کند، شرکت تخصصی چاپ سه بعدی WASP است که با گروه معماران ایتالیایی Mario Cucinella(MCA) همکاری می‌کند. آن‌ها اخیراً پروژه  TECLA را تکمیل کرده‌اند؛ زیستگاهی سازگار با محیط زیست با چاپ سه بعدی که با مواد قابل استفاده مجدد و قابل بازیافت ساخته شده است.

ماریو کوسینلا، معمار و مالک معماران ماریو کوسینلا می‌‌گوید: «هدف ما همراه با WASP، توسعه یک نمونه اولیه چاپ سه بعدی نوآورانه برای زیستگاهی است که به نیازهای جامعه پاسخ دهد. ما به یک تغییر پارادایم در حوزه معماری نیاز داریم که به نیازهای مردم نزدیک‌تر شود. همکاری که تبدیل به اتحاد بین معماری همدلانه و کاربرد فناوری‌های جدید می‌شود.»

یکی دیگر از مزایای مهم در معماری چاپ سه بعدی، بالا رفتن سرعت ساخت و ساز است. با این روش، یک خانه را می‌توان در عرض چند روز – نه چند ماه - چاپ کرد. به عنوان مثال، YHNOVA که یک پروژه 95 مترمربعی در فرانسه بود، توسط Batiprint 3D و دانشگاه نانت تنها در عرض 54 ساعت چاپ شد.

Mighty Buildings شرکت دیگری است که می‌تواند یک واحد مسکونی را تنها در عرض 24 ساعت چاپ کند. روش آن‌ها به این ترتیب است که کار چاپ را به جای محل ساخت و ساز، در مرکز تولید خود به انجام می‌رسانند. آن‌ها از نوعی سنگ سبک فرموله شده که به سرعت در معرض نور UV خشک می‌شود، استفاده می‌کنند. این محصول، ابداع خود آن‌ها است و با استفاده از آن، سرعت ساخت و ساز به طرز شگفت‌انگیزی بالا می‌رود. 

چاپ با سرعت بالا، نه‌تنها به پایین نگه‌داشتن هزینه‌های ساختمان کمک می‌کند، بلکه به کشورها این فرصت را می‌دهد که در صورت نیاز، خانه‌های مسکونی را سریع‌تر بسازند. به این ترتیب، پاسخگویی به تقاضای مسکن ارزان‌قیمت، ساخت مسکن در مناطق مستعد بلایای طبیعی و پناهگاه‌های اضطراری، ساده‌تر و سریع‌تر خواهد بود.  

همان‌طور که قبلاً از همکاری MCA با WASP در ایتالیا آموخته‌ایم، برخی از شرکت‌های معماری در حال حاضر با متخصصان فناوری چاپ همکاری می‌کنند تا مرزهای معماری چاپ سه بعدی را گسترش دهند. 

یکی از این شرکت‌ها، شرکت مستقر در ایالات‌متحده Lake|Flato است که در این زمینه، برنده جایزه نیز شده است. آن‌ها اخیراً با ICON همکاری کرده‌اند تا چگونگی به حداکثر رساندن مزایای محیطی، معماری و ساختمانی را که چاپ سه بعدی ارائه می‌دهد، بررسی کنند. نتیجه این همکاری، به ساخت پروژه «خانه صفر» انجامیده است؛ خانه‌ای با انرژی کارآمد، کاربردی و انعطاف‌پذیر که با سه اتاق خواب و 600 متر مربع مساحت، در آستین تگزاس قرار دارد. خانه صفر (House Zero) با فناوری چاپ Vulcan نسل بعدی ICON ساخته شده است که ظرفیت چاپ بسیار بزرگ‌تر (تا 1000 متر مربع) و سریع‌تر از مدل‌های قبلی خود دارد.

معماران مطرحی همچون ری چینی (Rhee Chaney) و ارلیش یانای (Ehrlich Yanai) در کالیفرنیا، در حال بررسی این نوع نسبتاً جدید معماری هستند. چینی و یانای (EYRC) با Mighty Buildings که یک شرکت فناوری ساخت و ساز در کالیفرنیا است، برای طراحی و چاپ یک خانه (Single-family) و (ADU) شریک شده‌اند. برای کمک به آن‌ها در عناصر طراحی این پروژه، EYRC از فناوری رندر Enscape استفاده می‌کند. آن‌ها در این باره می‌گویند:

«برای ساخت این پروژه از فناوری چاپ سه بعدی برای ایجاد یک خانه مدولار مقرون‌به‌صرفه استفاده می‌شود. خط تولید شامل خانه‌هایی با اندازه‌های مختلف بین 260 تا 430 متر مربع است. این امر با استفاده از سیستم Mighty Kit به دست می‌آید. این سازه‌ها مجموعه‌ای از قطعات است که شامل پانل‌های پرینت سه‌بعدی، پانل‌های لعاب‌دار، حمام پیش‌ساخته، آشپزخانه کامل و تمام تزئینات داخلی است که باید در محل تحویل و مونتاژ شوند.

در اوایل فرآیند، ما توانستیم از Enscape برای به اشتراک گذاشتن هدف طراحی با تیم Mighty Buildings استفاده کنیم. به عنوان مثال، زمانی که ما بافت‌های چاپ سه بعدی مختلف را ایجاد کردیم، رندرهای Enscape برای مقایسه اثرات سایه آن‌ها، بسیار مهم بود. ما همچنین از Enscape برای هماهنگ کردن آیتم‌های MEP، تجسم انتقال مواد و مکان‌یابی مناطقی که نیاز به توجه و جزئیات ویژه دارند، استفاده کردیم.»

همان‌طور که گفته شد، جهان بیش از پیش به سوی معماری چاپ سه بعدی خواهد رفت و این روند نوظهور در حال ایجاد مسیری در معماری مدرن است. این یک تکنیک ساده، کارآمد و نوآورانه است که با پایین آوردن هزینه و خطرات ساخت و ساز، در زمان نیز صرفه‌جویی می‌کند. در این بخش می‌خواهیم به چند نمونه موفق در زمینه معماری چاپ سه بعدی بپردازیم. 

استودیوی معماری هلندی DUS Architects از پلاستیک زیستی پایدار برای چاپ و ساخت این میکرو کابین هشت مترمربعی در آمستردام استفاده کرد. این سازه از مدل‌سازی رسوب‌گذاری، نوعی تولید افزودنی که معمولاً در چاپگرهای سه بعدی خانگی استفاده می‌شود، برای ایجاد دیوارهای هندسی استفاده می‌کند.

در داخل کابین، فضای کافی برای یک اتاق خواب کوچک وجود دارد؛ همراه با یک تخت که در صورت عدم استفاده می‌توان آن را کنار گذاشت. یک حمام پرینت سه بعدی که با استفاده از تکنیک چاپ مشابه ساخته شده است نیز در بیرون قرار دارد.

هدف از ساخت این خانه تخته سنگی، تبدیل شدن به اولین خانه‌های چاپ سه بعدی در جهان است که به عنوان املاک اجاره‌ای عرضه خواهند شد. این خانه تخته سنگی به اولین خانه با معماری چاپ سه بعدی در اروپا تبدیل شد و دارای یک آشپزخانه اوپن، یک اتاق خواب و یک حمام است.

این خانه در وسترلو بلژیک واقع شده است و گفته می‌شود اولین خانه‌ای است که به صورت یک تکه به صورت سه بعدی چاپ شده است. این خانه دو طبقه هشت متر ارتفاع دارد و مساحت آن 90 متر مربع است و برای نمایش پتانسیل پرینت سه بعدی ساخته شده است.

این خانه به عنوان یک خانه کم مصرف طراحی شده و شامل گرمایش سقف و کف، پنل های خورشیدی و پمپ حرارتی است. از این سازه به عنوان یک نمونه موفق در معماری چاپ سه بعدی یاد می‌شود. 

این خانه 30 مترمربعی با استفاده از مخلوطی از خاک محلی، کاه خرد شده و پوسته برنج به دست آمده از تولید ضایعات برنج، چاپ شده است. برای ساخت دیوارها از خاک استفاده شده (چاپ شده است) و سپس برای عایق سازی، حفره‌ها با ضایعات برنج پرشده‌اند. از پوسته برنج نیز به عنوان گچ طبیعی در داخل سازه برای پوشاندن دیوارها و سقف استفاده شده است. این شرکت ادعا کرد که در صورت عدم نگهداری، خانه به راحتی می‌تواند تجزیه زیستی شود و به خاک تجزیه خواهد شد. WASP معتقد است که ضایعات کشاورزی می‌توانند به منبع اصلی برای ساخت و ساز و چاپ سه بعدی تبدیل شوند.

شرکت ICON با یک شرکت انبوه ساز مسکن، برای تولید چهار خانه با معماری چاپ سه بعدی که برای مقاومت در برابر شرایط آب و هوایی سخت طراحی شده بودند، همکاری کرد.

هفت روز طول کشید تا این سازه‌ها چاپ شوند و شامل انواع خانه‌های دو، سه و چهار خوابه هستند. پس از تکمیل، خانه‌ها توسط "کلر زینکر" طراح داخلی مستقر در آستین، تزئین و دارای سقف‌های شیب‌دار، ایوان‌های سرپوشیده، گرمایش مرکزی و سیستم‌های تهویه مطبوع می‌شوند. خانه‌های سیمانی تاکنون در برابر زلزله 7.4 ریشتری و طوفان‌های شدید زمستانی که در آغاز سال 2021 رخ داد، مقاومت کرده‌اند. 

یکی دیگر از نمونه های معماری چاپ سه بعدی Casa Covida است. این سازه که از خشت چاپ شده، یک کلبه آزمایشی در دره سان لوئیس است که از سه حجم استوانه‌ای شکل به هم پیوسته تشکیل می‌شود.

این کلبه برای دو نفر طراحی شده و دارای دیوارهای خشتی است که از شن، سیلت، خاک رس و آب ساخته شده‌اند و با استفاده از یک SCARA سه محوره چاپ شده است. همچنین این خانه دارای یک شومینه باز و یک سقف صورتی بادی است که در صورت بارندگی یا برف می‌توان آن را برپا کرد. 

این به عنوان یک مطالعه موردی برای اینکه چگونه ترکیبی از فناوری مدرن و قدیمی می‌تواند برای ایجاد یک خانه به اندازه کافی بزرگ برای دو نفر استفاده شود، ایجاد شد. 

وقتی 30 سال پیش پرینت سه بعدی به صحنه آمد، ایده زندگی در یک خانه با چاپ سه بعدی تقریباً غیرقابل تصور بود. اما این تصور در حال حاضر رنگ واقعیت به خود گرفته است؛ زیرا خانه‌های مسکونی و واحدهای تجاری ساخته شده با فناوری سه بعدی در سراسر جهان در حال پدیدار شدن هستند. با استفاده از فناوری معماری چاپ سه بعدی مرزهای طراحی، مهندسی و ساخت و ساز جابه‌جا می‌شوند و برای بسیاری از چالش‌های این صنعت راهکارهای مؤثر ارائه خواهند شد.