「大規模積層造形」、つまり建物の3Dプリンティングが建築に革命をもたらすと、スマート構造研究所の所長は語る。
粘土、コンクリート、プラスチックのいずれであっても、印刷材料は流動状態で押し出され、最終形状に固まる。
この技術の広範な普及には依然として障壁があるものの、将来は、全面的にリサイクル材料や現地で調達した材料で建てられる建物が実現すると、同氏は述べる。
建築分野で新しい材料が登場することはめったにない。
何世紀にもわたり、木材、組積造、コンクリートが地球上の大半の建造物の基礎を成してきた。
1880年代、鉄骨フレームの採用が建築を一変させた。鉄骨によって建築家は、より大きな窓を備えた高層建築を設計できるようになり、今日の都市のスカイラインを形づくる高層ビルが生まれた。
産業革命以降、建築材料は主に大量生産される部材に限られてきた。鉄骨梁から合板パネルまで、この標準化された部材一式が、150年以上にわたって建物の設計と建設のあり方を決めてきた。
「大規模積層造形」と呼ばれる技術の進歩によって、状況はまもなく変わるかもしれない。鉄骨フレームの採用以来、建物の構想や建設の方法を変えるこれほど大きな可能性を秘めた技術は登場していない。
デスクトップ3Dプリンティングと同様、大規模積層造形では、物体を一層ずつ造形する。粘土、コンクリート、プラスチックのいずれであっても、印刷材料は流動状態で押し出され、最終形状に固まる。
テネシー大学のスマート構造研究所の所長として、私はこの新技術を活用する一連のプロジェクトに携わる機会に恵まれてきた。
この技術の広範な普及には依然として障壁があるものの、リサイクル材料や現地で調達した材料だけで建てられ、自然の幾何学的形状に着想を得た形を持つ建物が実現する未来を、私は思い描いている。
有望な試作例
その一つがトリリウム・パビリオンだ。リサイクルされたABS樹脂で印刷された屋外構造物で、ABS樹脂は幅広い消費者向け製品に使われる一般的なプラスチックだ。
この構造物の薄く、二重に湾曲した表面は、名前の由来となった花の花弁に着想を得ている。学生が設計し、Loci Roboticsが印刷したこのプロジェクトは、ノックスビルのチェロキー・ファームにあるテネシー大学リサーチパーク内に建設された。
大規模積層造形の近年の他の事例には、テクラがある。Mario Cucinella Architectsが設計し、イタリアの小さな町マッサ・ロンバルダで印刷された、450平方フィート（41.8平方メートル）の試作住宅だ。
建築家たちは、近くの川から採取した粘土でテクラを印刷した。この安価な材料と放射状の幾何学形状を独自に組み合わせることで、エネルギー効率に優れた代替住宅が生まれた。
米国では、建築事務所Lake Flatoが建設技術企業ICONと提携し、テキサス州オースティンで「ハウス・ゼロ」と名付けられた住宅のコンクリート外壁を印刷した。
2,000平方フィート（185.8平方メートル）のこの住宅は、3Dプリントコンクリートの速さと効率性を示している。また、曲線を描く壁とむき出しの木造フレームの対比も美しい。
設計プロセス
大規模積層造形には、デジタル設計、デジタル製造、材料科学という3つの知識分野が関わる。
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まず建築家は、印刷するすべての部材のコンピューターモデルを作成する。設計者はソフトウェアを使って、部材が構造上の力にどう反応するかを検証し、それに応じて調整できる。こうしたツールは、部材の軽量化や、印刷前に複雑な幾何学的交差部を滑らかにするなど、設計工程の一部を自動化する方法を見つける助けにもなる。
あるソフトウェアスライサーと呼ばれるものが、コンピューターモデルを3Dプリンター向けの一連の指示に変換する。
3Dプリンターは比較的小さなものを作ると思うかもしれない。たとえば携帯電話ケースや歯ブラシホルダーだ。
しかし、3Dプリンティング技術の進歩により、装置は大幅に大型化できるようになった。印刷には、ガントリー式システムと呼ばれる方式が使われることもある。デスクトップ3Dプリンターに似た、スライド式レールの長方形フレームだ。あらゆる向きで印刷できることから、ロボットアームの利用も増えている。
印刷場所もさまざまだ。家具や小さな部材は工場で印刷できる一方、住宅全体は現地で印刷する必要がある。
大規模積層造形にはさまざまな材料を使える。コンクリートはなじみ深く耐久性があるため、よく選ばれる。粘土は現地で採取できる興味深い代替材料であり、テクラの設計者もこの方法を採用した。
ただし、最も幅広く応用できる可能性があるのはプラスチックやポリマーだ。非常に用途が広く、幅広い構造上・美観上の要件に応じて配合できる。また、リサイクル材料や有機由来の材料からも製造できる。
自然からの着想
積層造形は、特定の部材を作るのに必要な材料とエネルギーだけを使って一層ずつ造形するため、余分な材料を削り取る「除去加工」よりもはるかに効率的な建築プロセスだ。木から木材を切り出すような加工を想像してほしい。
コンクリートやプラスチックなどの一般的な材料も、追加の型枠や鋳型が不要なため、3Dプリントする利点がある。
現在、建築材料の大半は、同じ部材を製造するために設計された組立ラインで大量生産されている。コストを抑える一方で、この工程ではカスタマイズの余地がほとんどない。
工具、型、金型が不要なため、大規模積層造形では、複雑さやカスタマイズを加えても時間的な負担を増やさず、部材ごとに独自の形を作れる。
大規模積層造形のもう一つの興味深い特徴は、内部に空洞を持つ複雑な部材を製造できることだ。将来的には、電線管やダクトをあらかじめ組み込んだ壁を印刷できるかもしれない。
さらに、研究が進められているのは、複数の材料を使った3Dプリンティングの可能性だ。この技術により、窓、断熱材、構造補強材、さらには配線までを一つの印刷部材に完全に組み込める可能性がある。
積層造形で私が最も期待している点の一つは、ゆっくり固まる材料を使って一層ずつ建造する様子が、貝殻の形成のような自然のプロセスに似ていることだ。
これにより可能性が広がり、他の建築手法では作るのが難しいものの、自然界では一般的な幾何学的形状を設計者が取り入れられるようになる。
構造フレームは、鳥の骨の精緻な構造に着想を得て、軽量な管状格子を形成できる。管の太さを変えることで、作用する力を反映できる。植物の葉の形を思わせるファサードは、建物に日陰を作ると同時に太陽光発電を行う設計にできるかもしれない。
学習曲線を乗り越える
大規模積層造形には多くの利点がある一方、普及を妨げる要因もいくつかある。
おそらく最大の課題は、技術がまだ新しいことだ。鉄鋼、コンクリート、木材など従来の建設方式を支える仕組み全体があり、そこにはサプライチェーンや建築基準も含まれる。さらに、デジタル製造装置は比較的高価であり、こうした新しい材料を扱うための専門的な設計技能も、まだ広く教えられていない。
建築分野で3Dプリンティングをより広く普及させるには、適した用途を見つける必要がある。ワープロがデスクトップコンピューターの普及を後押ししたのと同じように、大規模積層造形の特定の用途が、その一般的な利用を促すことになると私は考える。
おそらく、高効率の構造フレームを印刷できる能力がその用途になるだろう。また、耐用期間の終わりにリサイクルして再印刷できる、独自の彫刻的なファサードを作る可能性にも、すでに期待している。
いずれにしても、いくつかの要因が組み合わさり、将来の建物は部分的に3Dプリントされるようになる可能性が高そうだ。
