معماری فرآیند روند برنامهریزی، طراحی و ساخت یک سازه فیزیکی و همینطور محصول آن را شامل میشود. معمار خوب کسی است که بتواند یک فضای معمولی را به یک طرح کاربردی و زیباتر تبدیل کند. بخش معماری و طراحی در چند سال گذشته به امتحان فناوریهای پرینت سه بعدی پرداخته است. برای مثال در سال 2015، بزرگترین غرفه مربوط به معماری به مناسبت هفته طراحی بیجینگ افتتاح شد. اکنون سازههایی که با ساخت افزایشی بنا شدهاند دیگر آنچنان مایه شگفتی نیستند. این روزها بسیاری از استودیوهای طراحی و ساخت نوین برای ساخت مدلهای سه بعدی پروژههای خود از راهحلهای پرینت سه بعدی رومیزی استفاده میکنند و این موضوع به امری رایج تبدیل شده است. به علاوه، تعداد روزافزونی از شرکتهای دنیا سعی دارند ساخت افزایشی را در فرآیند تولید خود بگنجانند و بدین ترتیب، کسب و کار خود را حول محور پرینت سه بعدی به روز کنند.
حال پرسشی مطرح میشود که پرینت سه بعدی دقیقا چه مزایایی برای شرکتهای طراحی و معماری به همراه خواهد داشت؟ و این فناوری پیشرفته چه کاربردهای متفاوتی در این بخش دارد؟ ما تصمیم گرفتیم نگاه دقیقتری به این مسئله داشته باشیم تا سر دربیاوریم چرا کارخانهها پرینت سه بعدی را در کنار کار خود انتخاب میکنند و چگونه با موفقیت از عهده آن برمیآیند.
(صاحب امتیاز عکس: Laboratory for creative design)
به کارگیری پرینت سه بعدی در معماری چه مزایایی دارد؟
اگر این روشهای نوین نسبت به روشهای متداول برتری نداشتند، آنگاه شاید استفاده از آنها در بخش معماری کار بیهودهای بود. در حقیقت، پرینت سه بعدی مزیتهای بیشماری را برای حوزه معماری و طراحی به همراه دارد و البته تعداد زیادی از آنها نیز به مزایای بخش ساخت و ساز شباهت دارند. خوزه آگیلار، مدیر عامل و یکی از بنیانگذاران اصلی استودیو ماک در تگزاس، از کارایی ساخت افزایشی بیشتر برای ما گفت:
«من از سال 2008 تا کنون از پرینت سه بعدی استفاده میکنم و به سرعت متوجه شدم که این فناوری از نظر معماری در زمینه طراحی و ساخت و ساز مزایای زیادی به همراه خود دارد. نرمافزارهایی که در صنایع معماری، ساخت و ساز و همینطور اسباب و اثاثیه توسعه داده میشوند همیشه از توان واقعی صنعت تولید در ساخت هندسههای پیچیده جلوتر هستند. زیرا در روشهای سنتی تولید، اشیای سه بعدی به یک رسم دو بعدی تبدیل شده، تولید میشوند و سپس با دخالت نیروی کار سرهمبندی میشوند. فناوری موجود در همین حد است و پرینت سه بعدی این فرآیند طولانی و پیچیده را دور میزند؛ حتی میتوانید مستقیم از یک شی سه بعدی پرینت کنید. این امر سبب میشود پرینت سه بعدی مزایای بزرگی را به ارمغان بیاورد، همچون کاهش زمان طراحی با CAM و داشتن زمان دقیق پرینت، شبیهسازی و تولید. به علاوه، شی پرینتی و همه اجزای آن در نهایت با یکپارچگی ساختاری بهتری تولید شده و عیب بسیار کمتری خواهد داشت.»
آزادی عمل در طراحی و هندسههای پیچیده
بیشک بزرگترین مزیت استفاده از پرینت سه بعدی در پروژههای معماری، همین آزادی عمل در طراحی است. اکنون میتوان اشکالی را طراحی و حتی تولید کرد که تصورشان هم در گذشته دشوار بود. به عبارت دیگر، هرچقدر که طراحان دست بازتری در طراحی داشته باشند، امکان خلق هندسههای پیچیده جدید نیز بیشتر میشود. علاوه بر اینها، حالا دیگر بسیاری از شرکتها در زمینه طراحی مطالعه میکنند؛ شرکت معماری Bercy Chen Studio که در ایالات متحده واقع شده است در اینباره میگوید: «با استفاده از یک پرینتر سه بعدی ما میتوانیم گزینههای متفاوتی را از یک طراحی پرینت کنیم. به جای آنکه طرح خود را فقط از پشت صفحه نمایشگر ببینیم، با مدلهای سه بعدی میتوانیم درک بهتری از طرح خود داشته باشیم و فرصتی در اختیار ما قرار میگیرد تا به گزینههای بهتر برسیم.» همچنین، ساخت نسخههای متعدد مقرون به صرفه خواهد بود.
شرکتXtreeE سه نیمکت بتنی منحصربهفرد پرینت کرد که روی سطح آنها الگوی حصیری دیده میشود. XtreeE برای پرینت این طرح پیچیده از بازوی رباتیک ساخت افزایشی شش محوره استفاده کرد. این ربات قادر است لایههای مواد را با حرکت مشخصی لایهنشانی کند تا الگوی حصیری به وجود بیاید. تولید چنین هندسه پیچیدهای با استفاده از قالبهای معمولی بسیار دشوار خواهد بود و به طور مشخص نیز هزینه گزافی در پی خواهد داشت. به همین خاطر است که گفته میشود فناوری پرینت سه بعدی آزادی بیشتری در اختیار تولیدکنندگان قرار میدهد تا بتوانند به پیچیدگی طرح خود بیفزایند.
پایداری
در بین افراد گاهی اختلاف نظر به وجود میآید که آیا ساخت افزایشی به راستی یک روش دوستدار محیط زیست است و آیا این امر در مقایسه با روشهای دیگر تولید بیشتر برای آن صدق میکند، یا اینکه چنین نیست. با این حال، اگر برخی از مواد پرینت سه بعدی به اصطلاح «سبز» نباشند، پرینت سه بعدی میتواند از جنبههای مختلفی نشان بدهد که از بیشتر روشهای ساخت و ساز متداول، پایدارتر است. برای XTreeE، پایداری با مصرف مواد کمتر نمود پیدا کرد، چه از نظر ضایعات مربوط به فرآیند تولید مانند قالبگیری و چه در خود محصول که با بهینهسازی هندسه این امر تحقق یافت. «ما به این فکر میکنیم که الگوواره را با استفاده از رباتیک و در خارج از محل به صورت پیشساخته تولید کنیم، زیرا این کار سبب میشود اجزای رده بالایی تولید شود که به یک عملکرد نوین منتهی شده و کمترین اثر مخرب را وارد میکند. یک مزیت مهم که میتوان نام برد، کاهش چشمگیر عملیات در محل است که بازده بالا و پایداری را به همراه خود دارد.»
به نقل از استودیو RAP، نقش پرینت سه بعدی در بحث پایداری کاملا مشهود است، چرا که به طور آشکار مصرف منابع کمیاب را به حداقل میرساند. به علاوه، با پرینت سه بعدی امکان تولید بر حسب تقاضا و تولید غیرمتمرکز به وجود میآید که در این صورت نیاز به انبار موجودی و حمل و نقل بینقارهای از بین میرود و در نتیجه، ردپای کربن تا جای ممکن کاهش مییابد.
(صاحب امتیاز عکس: Forust corp.)
سفارشی سازی
شرکتی که اکنون بخواهد در عرصه رقابت موفق شود، باید از توانایی تولید محصولات سفارشی برخوردار باشد. اما ارائه قابلیت سفارشی سازی با روشهای سنتی بسیار دشوار خواهد بود، چرا که در بحث روشهای متداول و سنتی، از هر قالب باید برای تولید تعداد بالایی از محصول استفاده شود تا سرمایه اولیه بازگردد. خوزه آگیلار در اینباره توضیح میدهد: «یک عامل مهم در کار ما که باعث میشود بتوانیم رقابت کنیم، همین توانایی سفارشی سازی است که میتوانیم در اختیار مشتریان خود قرار دهیم. مشتریان ما همیشه به دنبال چیزی میگردند که از پیش ساخته شده باشد، اما به طور طبیعی نیز میخواهند که به سلیقه خودشان طراحی شده باشد و نیازهای خاص آنها را برآورده سازد. با استفاده از روشهای سنتی تولید این کار خیلی سخت میشود، اما پرینت سه بعدی امکان سفارشی سازی را فراهم میکند و نیازی نیست هربار که مشتری بخواهد تغییری ایجاد کند فرآیند تحقیق و توسعه را از سر بگیرید.»
کاربرد فناوریهای پرینت سه بعدی در معماری
بسیاری از مزایای فناوریهای ساخت افزایشی به کاربرد آنها مربوط میشود و نکته جالبی که درباره معماری وجود دارد این است که انواع پروژههای مختلف را در برمیگیرد، از برنامهریزی شهری گرفته، تا طراحی داخلی. پرینت سه بعدی در فرآیند ساخت به طرق مختلفی مورد استفاده قرار میگیرد که در ادامه به برخی از مهمترین آنها پرداخته میشود.
مدلسازی سه بعدی دیجیتال
مهمترین بخش از کار پرینت سه بعدی، مدلسازی سه بعدی است و در چند سال اخیر، انواع مختلفی از نرمافزارهای مدلسازی سه بعدی عرضه شدهاند. از مدلسازی میتوان برای ساخت نمونه اولیه یک قطعه، سازههای واقعی و یا نقشهکشی یک پروژه استفاده کرد. برخی شرکتها از چندین نرمافزار مختلف استفاده میکنند تا به بهترین نتیجه برسند. رومن دوباله که یکی از بنیانگذاران شرکت ساخت افزایشی XtreeE فرانسه است، میگوید: «ما از نرمافزارهای مختلفی استفاده میکنیم، قطعا از راینو و گرس هاپر، به علاوه برخی از نرمافزارهای اتودسک، اندکی آنالیز فیزیکی و همینطور نرمافزار بهینهسازی. اگر کاربرد خاص باشد، برای خودمان یک برنامه کدنویسی میکنیم؛ این کار به ما کمک میکند بتوانیم هندسههای پیچیدهتری تولید کنیم و از طرف دیگر، مدیریت تولید را سادهتر میکند.» بعد از آنکه فایل دیجیتال رندگیری میشود، به طور معمول طراحان به نیابت از مهندسان کار پرینت سه بعدی نمونه اولیه را آغاز میکنند.
نمونه سازی
نمونه سازی در حوزه معماری از اهمیت خاصی برخوردار است، و بیشتر از هر بخش دیگری از معماری تحت تاثیر فناوریهای پرینت سه بعدی قرار گرفته است. تا پیش از این، از مدلهای سه بعدی مقوایی استفاده میشده است که ساخت آنها بسیار طول میکشید و به زحمت زیادی نیاز داشت؛ نسخههای سه بعدی نیز در عمل هیچ کاری از پیش نمیبردند. اکنون، پرینت سه بعدی امکان ساخت نمونههای اولیه سه بعدی با کیفیت بالا را فراهم میآورد که زمان و زحمت موردنیاز نمونهسازی را به طرز چشمگیری کاهش میدهد. ماهیت این فناوری آن را انعطافپذیر میسازد، به همین دلیل است که میتوانید مدل ساختمانهای ساده و سازههای پیچیده را تنها در چند ساعت تولید کنید! در صورتی که ساخت مدل به روشهای قبل گاه ممکن بود چند هفته و گاه چند ماه طول بکشد. با آماده شدن مدل، میتوانید گفت و گو را با مشتری آغاز کنید. بنابراین در زمان و هزینه صرفهجویی شده و از احتمال وقوع خطاهای زیانبار نیز کاسته میشود، که به طور خلاصه، مراحل طراحی تا توافق با سرعت بالاتری جلو میرود.
در ایالات متحده، استودیو ماک در زمینه مهندسی و ساخت ویژگیهای پیچیده معماری و اسباب داخلی تجاری که در صنعت طراحی و ساخت و ساز به کار میروند، تخصص دارد. این استودیوی معماری که در تگزاس واقع شده است، خیلی زود به این نتیجه رسید که پرینت سه بعدی میتواند برای نمونهسازی و تست مدلهای مفهومی مناسب باشد. حال این شرکت در مراحل اولیه بیشتر پروژههای خود از پرینتر سه بعدی «Gigabot» برای نمونهسازی استفاده میکند.
بنیانگذار و مدیر عامل ماک، جوزف آگیلر میگوید: «خیلی وقت پیش ما یک میز پذیرش طراحی کردیم که هندسه آن پیچیده بود. به مجردی که کار طراحی تمام شد، چند نسخه کوچک از آن را پرینت سه بعدی کردیم و سپس نمونهها را با برخی از مشتریان کنونی خود در میان گذاشتیم تا بازخورد آنها را دریافت کنیم. یک تست کوچک به ما کمک میکند پیش از آنکه تولید را در مقیاس بزرگ شروع کنیم، محصول را تا جای ممکن با نیاز بازار منطبق کنیم. واقعیت این است که برخی از مشتریان از ما خواستند نمونه را در اندازه اصلی برای آنها بسازیم! بنابراین نیازی نبود وقت بیشتری را صرف تحقیق و توسعه بکنیم و اکنون در آستانه معرفی این محصول به بازار هستیم.» با تماشای ویدیوی زیر میتوانید اطلاعات بیشتری درباره فرآیند کار این شرکت بدانید. در این ویدیو طراحان درباره یک دیوار سفارشی صحبت میکنند که برای شرکت re:3D ساخته شده است.
زیرساخت شهری
شهرسازی و برنامهریزی شهری با وجود پرینت سه بعدی در صدد آن است که از جهات زیادی دچار تحول بزرگی شود. اول از همه معماران این توانایی را خواهند داشت که مدلی از یک شهر کامل را پرینت سه بعدی کنند. چنین چیزی با وجود تجهیزات و مواد مناسب، دستیافتنی خواهد بود. اما از این جالبتر، پروژههای واقعی هستند که برخی از آنها در دست پیشرفت و برخی نیز پایان یافتهاند. پرینت سه بعدی زیرساخت شهری اغلب با همکاری یک شرکت معماری پرینت سه بعدی با شهرداری یا دولت اتفاق میافتد و گاهی نیز ممکن است پروژه تجاری باشد. به طور معمول گستره این پروژهها پلهای پرینت سه بعدی و نمای خارجی ساختمانها تا ایستگاههای توقف حمل و نقل عمومی را در برمیگیرد.
استودیو RAP واقع در هلند، مشغول کار روی چندین پروژه پرینت سه بعدی در حوزه معماری است. یکی از این پروژهها مربوط به یک تاکسی دریایی در روتردام میشود که اکنون در دست ساخت است و قرار است با بتن پرینت سه بعدی شود. اگر شهرداری روتردام را مشتری در نظر بگیریم، شرکت RAP یک ایستگاه توقف تاکسی دریایی را به صورت پارامتری طراحی و برای شهرداری توسعه داده است که در این پروژه از پیشرفتهترین فناوری پرینت بتن استفاده میشود. وسل ون بیرندونک، یکی از بنیانگذاران پروژه توضیح میدهد: «این طراحی از دو سطح جالب به شکل بافتهشده تشکیل شده است که کابلهای پستنیدگی را در سراسر سازه هدایت میکنند. شش قطعه بتنی پرینتشده روی هم قرار خواهند گرفت تا تیر طرهای به ارتفاع 3.5 متر شکل بگیرد.»
اسکن سه بعدی در معماری
شهرسازان برای ساخت و ارتقای شهر، اغلب از اهل حرفههای ابزاری همچون مهندسان و معماران کمک میگیرند. آنها نیز برای اشیای فیزیکی مختلف مانند افزونههای یک ساختمان، یک سری اندازه ارائه میکنند. حال اگر این اندازهها دقیق نباشند، فرآیند ساخت و ساز به کندی پیش خواهد رفت و اشتباهات پیشآمده میتواند پروژه را با کمبود بودجه مواجه کند. خوشبختانه روش اسکن سه بعدی با لیزر در برآورد ابعاد، دقیقتر و سریعتر از روشهای سنتی عمل میکند. نمونه این امر، ساخت دوباره ایستگاه مرکزی میشیگان به دست شرکت فورد است. برای آنکه طراحی تاریخی این بنای مهم به دقت حفظ شود، فورد سعی کرد با استفاده از اسکنر سه بعدی لیزری شرکت Creaform، مدلهای سه بعدی دقیقی از اجزای مختلف ایستگاه بسازد، در نتیجه پیمانکاران توانستند ساختارهای پیچیده را تعمیر و یا بازسازی کنند.
در اسکنر سه بعدی Creaform لیزرها در 15 نقطه همدیگر را قطع میکنند که میتوانند شکل هر شی فیزیکی را مجسم کنند. اسکنر Creaform جزئیات را به دقت ثبت میکند، تا حدی که دقت آن به اندازه ضخامت یک تار مو میرسد، سپس اشکالی با فرم آزاد رسم کرده و فایل مش دیجیتال آن را تولید میکند. این روش اسکن کردن برای سطوح کانتورشده و هندسههای پیچیده مناسب است که پردازش دقیق آنها نیازمند حجم زیادی از دادهها است. به طور کلی استفاده از اسکن سه بعدی در پروژههای مرمت و بازسازی به دقت کار میافزاید، در مسئله زمان صرفهجویی میکند و مهمتر از همه، اندازهگیریهایی میکند که با روشهای دیگر امکانپذیر نخواهد بود.
مواد
و اما، مهندسان و معماران خلاق برای پرینت سه بعدی نمونههای خود بیشتر از چه موادی استفاده میکنند؟ اولین چیزی که به ذهن میرسد، بتن است که چه در روشهای متداول و چه در روشهای افزایشی، ماده پرکاردی به حساب میآید. شرکتهای عمرانی که بتن را در روشهای ساخت افزایشی استفاده میکنند، به طور پیوسته اصلاحات گوناگونی روی این ماده اعمال میکنند و به روشهای مختلفی آن را تقویت میکنند؛ از این رو به ندرت دیده میشود که دو سازنده متفاوت یک نوع بتن را با دستگاههای خود اکسترود کنند. سرامیک ماده دیگری است که بعد از بتن در حوزه معماری محبوبیت زیادی دارد. استودیو RAP در یکی از پروژههای خود برای یک مجتمع مسکونی 4,000 کاشی سرامیکی پرینت کرد که پرسلاین معروف Dutch Delft Blue را تداعی میکردند.
در طراحی داخلی از پلاستیکها نیز استفاده زیادی میشود؛ و در میان موادی که کمتر استفاده میشوند، پرینت سه بعدی چوب به چشم میخورد. شاید کمتر شرکتی باشد که ماده اصلی پرینت سه بعدی آن چوب باشد، اما Forust Corp یکی از آنها است. این شرکت آمریکایی خاک ارهای را که محصول فرعی تولید مبلمان است پرینت سه بعدی میکند و از این طریق اشیای زیبایی را برای داخل ساختمانها تولید میکند. آنها نشان دادهاند که پرینت سه بعدی چوب امکانپذیر است و اخیرا در تلاش هستند با نگاشت بافت و رنگ، ظاهر چوب واقعی را روی اشیایی که تولید میکنند به نمایش دربیاورند.
برای شرکتها چقدر آسان است که پرینت سه بعدی را در روند کار خود جای بدهند؟
«کار سادهای بود!»، این نظر جسی هو از استودیوی Bercy Chen است. دفتر مرکزی استودیو Bercy Chen در تگزاس واقع شده است و در شهرهای تایپه و مکزیکوسیتی دفتر نمایندگی دارد. این شرکت معماری به مدت پنج سال است در پروژههای خود برای پرینت سه بعدی مدلها از Ultimaker 2 و 3 استفاده میکند. آنها بیان میکنند: «با نرمافزارهای اسکچآپ، راینو و رویت آشنا هستیم که از آنها برای طراحی پروژهها استفاده میکنیم؛ سپس طراحی را به Cura اکسپورت میکنیم تا پرینت بگیریم. هنگام اکسپورت کردن فایلها چند نکته درباره تنظیمات آن وجود دارد که باید این نکات را یاد بگیریم، اما به غیر از این هرچیزی که بخواهیم در اینترنت پیدا میشود.»
در برخی شرکتهای خاص فقط چند تن از کارمندان برای کار کردن با پرینتر سه بعدی آموزش میبینند، اما شرکتهای دیگر تک تک اعضای تیم را تشویق به یادگیری کار با دستگاههای ساخت افزایشی میکنند. مدیر عامل استودیو ماک میگوید: «ما تیمی متشکل از طراحان و سازندگان داریم که تقریبا همه آنها میدانند چگونه یک پرینتر سه بعدی را راه بیندازند و این یک ضرورت است چرا که ما همیشه در حال نمونهسازی هستیم و هرچقدر افراد بیشتری بتوانند کمک کنند بهتر است.»
زمانی که یک شرکت معماری بخواهد پرینت سه بعدی را به کار بگیرد با دو چالش مواجه میشد؛ چالش اول به بخش یادگیری فنی کار با دستگاه ساخت افزایشی مربوط میشود و چالش دوم بهینهسازی پارامترها برای مواد خاص است. استودیو Bercy Chen در پاسخ به این سوال که هنگام انتخاب فناوری با چه موانعی رو به رو شد، میگوید: «بیشتر در مسائل فنی مشکل داشتیم، مثل مسدود شدن سر نازل، ترازکردن صفحه و تنظیم پارامترهای مواد مختلف.» که به مرور زمان توانستند این مشکلات را حل کنند. آگیلر نیز از مشکلات مشابهی به ما گفت که برای استودیو ماک پیش آمده بود: «در ابتدا ما مرتکب چند اشتباه میشدیم، اما بیشتر از آنکه مشکل از طرف افرادی باشد که برنامهنویسی میکردند یا دستگاه را راه میانداختند، از نظر فنی با خود پرینتر مشکل داشتیم. با استفاده از پرینتر سه بعدی کنونی خود Gigabot میتوانیم پرینتهای دقیقتری داشته باشیم.»
(صاحب امتیاز عکس: Bercy Chen Studio)
آیا پرینت سه بعدی آینده معماری و طراحی را در احتصار خود درمیآورد؟
موسس استودیو RAP، وسل ون بیرندونک باور دارد که پرینت سه بعدی تحول بزرگی در نحوه طراحی، ساخت، تعمیر و استفاده از ساختمانها پدید خواهد آورد. «این فناوری یکی از آخرین تکههای گمشدهای است که برای داشتن یک زنجیره تامین کاملا دیجیتال در صنعت ساخت و ساز نیاز است. علاوه بر کارآمدی و داشتن آزادی در طراحی، پرینت سه بعدی از مزایای اجتماعی نیز برخوردار است به طوری که سبب میشود شرکتهای بزرگ و اشخاص در موقعیت یکسانی قرار بگیرند و به دنبال آن، زمینه طراحی و ساخت و ساز بومی فراهم شود. بنابراین سراسر دنیا خود را در موقعیت یک رشد پایدار و حسابشده مییابد. این امر مفاهیم جدیدی در زیبایی پدید میآورد و باعث میشود در حرفه معماری، جایگاهی که هنگام فرآیند ساخت در آن قرار میگیریم و مدل کسب و کار خود بیشتر فکر کنیم.» مزایای این فناوری بسیارند، اما یک چیز مشخص است: میتواند شیوه زندگی فعلی ما را به هم بزند!