段珍華，劉一村，肖建莊，丁 陶

(同濟大學土木工程學院，上海 200092)

0 引言

隨著德國2011年提出工業(yè)制造4.0概念后，我國于2015年相繼推出《中國制造2025》《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃》等政策[1]，將3D打印發(fā)展提升到國家戰(zhàn)略高度。在工業(yè)4.0的背景下，建筑行業(yè)存在生產(chǎn)效率低下、勞動密集度高、自動化程度低、安全事故頻發(fā)等特點，工業(yè)化程度落后于整個制造業(yè)。數(shù)據(jù)顯示，整個制造行業(yè)的價值增值率為62%，而建筑行業(yè)價值增值率為10%，相差52%；資源價值浪費在制造行業(yè)是57%，而建筑行業(yè)是26%，相差31%[2]。隨著我國人口出生率下降、人口老齡化程度加深，我國勞動年齡的人口增速明顯降低，建筑業(yè)勞動力年齡結構趨于老化，我國勞動力成本上漲、勞動力資源短缺問題日益嚴峻，如表1所示[3-4]。2015—2019年我國農(nóng)民工從事建筑業(yè)占比分別為21.1%，19.7%，18.9%，18.6%，18.7%[5]。

表1 近5年我國農(nóng)民工年齡構成與占比

我國建筑業(yè)目前仍以傳統(tǒng)濕法作業(yè)建造模式為主，3D打印為建筑業(yè)實現(xiàn)工業(yè)化提供技術基礎，住房和城鄉(xiāng)建設部于2016年出臺《2016—2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》，明確指出加快3D打印設備及材料的研究，極大推動3D打印技術在建筑工程領域的應用，有效提高建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的效率，將建筑工業(yè)由制造推向智造[6]。

現(xiàn)階段混凝土建筑3D打印還存在一系列難題：缺少明確的標準規(guī)范、質量驗收和評價體系；在打印材料、打印設備、打印工藝等方面均存在大量難點；打印各環(huán)節(jié)的研究缺少協(xié)同性，現(xiàn)有打印成果多為不同高校、企業(yè)的示范項目，尚未形成規(guī)?；臉藴蚀蛴?；有關3D打印知識產(chǎn)權保護、3D打印建筑成本核算等具有實際應用價值的課題鮮有研究。建筑3D打印需實現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)工業(yè)化、現(xiàn)代化，一方面需加快對打印各環(huán)節(jié)的研發(fā)，另一方面需對建筑3D打印進行方案優(yōu)選，提高打印效率，完善打印全過程設計、材料、設備、工藝各環(huán)節(jié)的配合，在此基礎上，不斷結合實踐成果，拓展對建筑3D打印經(jīng)濟綜合效益的研究，推動建筑3D打印應用的發(fā)展。

通過梳理混凝土建筑3D打印現(xiàn)階段在工藝、材料、設備等方面的研究成果，總結存在的問題與不足，并通過混凝土建筑3D打印全流程設計，針對不同工程應用提出高效、合理的生產(chǎn)建造過程，推動3D打印在建筑領域智能化、工業(yè)化、可持續(xù)化中的研究與發(fā)展。

1 混凝土建筑3D打印研究現(xiàn)狀

1.1 3D打印工藝

混凝土建筑3D打印工藝最早由Pegna[7]于1997年提出，發(fā)展至今形成4種相對成熟的打印方法：D型工藝(D-shape)、輪廓工藝(contour crafting)、混凝土打印(concrete printing)、大型機械臂驅動的材料三維構造建造方法。

1997年，Pegna[7]提出適用于水泥材料逐層累加的自由形體構件建造方法，類似于選擇性沉積法，即先在底層鋪1層薄砂，再在上面鋪1層水泥，采用蒸汽養(yǎng)護使其快速固化成型；2003年，Khoshnevis[8]提出被稱作輪廓工藝的建筑3D打印技術，通過大型三維擠出裝置和帶有抹刀的噴嘴，實現(xiàn)混凝土分層堆積打?。?010年，Dini[9]提出使用噴擠黏結劑選擇性膠凝硬化逐層砂礫粉末實現(xiàn)堆積成型的方法，即D型打印，采用該工藝建造完成后的建筑體質地類似于大理石，比混凝土強度更高，且不需要內(nèi)置鐵管進行加固；2007年，Bosscher等[10]改進并提出輪廓工藝-帶纜索系統(tǒng)，采用基于直角坐標系的輪廓工藝纜索機器人進行施工，即以鋼框架作為機械骨架，通過12條纜索控制終端噴嘴的三維運動；2011年，提出噴擠疊加混凝土的打印工藝，即混凝土打印[11-12]。

輪廓工藝的優(yōu)勢在于可根據(jù)打印材料配合比控制擠出速度，同時定制化程度高、設計較自由，但打印精度依賴泥刀等后處理，打印尺寸、高度等受打印系統(tǒng)的限制，層間黏結力較低、對材料承載力要求較高?；炷链蛴〖夹g最大的優(yōu)勢在于精度較高，但對泵送壓力、打印材料流變性能、打印時間控制要求高，需各要素緊密配合，因此打印效率相對較低，打印構件受打印機尺寸限制較大。D型打印技術的成本低、效率高、打印材料強度較高，但打印機器占地面積大、前期準備材料及清除打印剩余材料工作量較大、打印尺寸受打印設備尺寸約束。

1.2 混凝土建筑3D打印油墨材料

混凝土建筑3D打印對材料要求比傳統(tǒng)建造中普通混凝土更嚴格，打印材料需具有良好的強度、剛度、較好的抗裂性和塑性，需滿足可擠出性和較好流動性、可控的凝結時間、良好的堆砌性和較高的層間銜接性、高強度的材料特性[13-15]。

針對上述3D打印材料特性，國內(nèi)外學者進行大量研究。Hambach等[16]研究表明打印油墨材料中增加的纖維含量超過1.5%會導致打印噴嘴處堵塞，打印材料骨料過大會堵塞打印管道及噴嘴，因此應避免使用大骨料，防止堵塞；Malaeb等[17]研究發(fā)現(xiàn)，聚羧酸鹽減水劑的增加會相應提高打印材料流動性，但過高的流動性會降低可建造性；藺喜強等[18]研究不同施工溫度下，調(diào)整硫鋁酸鹽水泥中促凝劑和緩凝劑的摻和比例，可將打印材料的凝結時間控制在20～60min；Le等[11]研究聚丙烯微纖維增強細骨料混凝土，該混凝土加入適量減水劑、緩凝劑及促凝劑后，流動性可維持100min，且具有良好的可建造性；陳雷等[19]發(fā)現(xiàn)，通過添加復合調(diào)凝劑和復合體積穩(wěn)定劑制成3D打印材料，具有早期強度高、后期強度發(fā)展穩(wěn)定的特點；范詩建等[15]發(fā)現(xiàn)磷酸鹽水泥早期強度遠高于其他類型水泥，適合快速成型，但該材料耐久性能和經(jīng)濟性較差；Perrot等[20]發(fā)現(xiàn)打印速度降低時，構件承受的最大壓力有所提高；Le等[11]發(fā)現(xiàn)添加砂和聚丙烯微纖維打印出的試件28d抗壓、抗折強度均有所提高；Hambach等[16]研究表明短纖維可增強3D打印油墨材料的28d抗壓、抗折強度。

由于混凝土建筑3D打印對材料性能要求較高，不同學者研究的針對性不同，所用的設備和工藝也不同，導致試驗結果間缺乏可比性。目前，混凝土建筑3D打印材料主要通過擠壓成型、逐層疊加的方式完成建造，打印后的材料缺少傳統(tǒng)施工方式中的振搗環(huán)節(jié)。此外，還缺少對混凝土建筑3D打印材料長期性能的相關研究。同時，現(xiàn)有3D打印油墨材料并非真正的混凝土材料，隨著原材料組成和摻和料的不同，制備的材料在性能上各有差異，不能同時滿足3D打印混凝土對可擠出性和可建造性的要求。傳統(tǒng)工藝大多采用鋼筋混凝土結構施工建造，若單純使用油墨材料而沒有鋼筋協(xié)同工作，很難滿足打印結構的強度要求，當拉應力超過材料抗拉強度時可能出現(xiàn)裂縫，嚴重影響打印效果。3D打印材料的研究難以與打印工藝、打印設備相呼應，導致材料研究與實際打印脫節(jié)，各方研究難以互相借鑒。

1.3 混凝土建筑3D打印設備

3D打印設備是實現(xiàn)3D打印建造的重要環(huán)節(jié)，通常需連接打印機與控制系統(tǒng)，將3D打印建筑模型通過系統(tǒng)傳輸給打印機完成打印，打印機一般包括架體、打印頭、升降架、水平移動架等組成部分，現(xiàn)階段常見的打印設備主要是桁架式3D打印機和龍門式3D打印機[21]。

Sakdanarseth等[22]提出需考慮打印工藝的限制進行設計；Lim等[23]提出曲層打印的新路徑計算方法，更適用于大尺寸建筑構件打印，可達到更好的表面精度和強度，同時縮短打印時間；Khoshneivis[24]在噴嘴處設計刮刀，隨著打印路徑調(diào)整角度，保證打印制品外表面光滑平整；Gosselin等[25]提出可在噴嘴處加入促凝成分，控制凝結時間；覃亞偉等[26]指出，運動控制系統(tǒng)應根據(jù)打印路徑文件控制噴嘴沿設計的打印路徑運動并完成打?。欢×以频萚27]對3D打印水泥砂漿砌體技術進行研究，提出基于BIM建筑模型的水泥砂漿砌體自動建造裝置及工作方法；徐衛(wèi)國[28]自主研發(fā)3D打印系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)字建筑設計、打印路徑生成、操作控制系統(tǒng)、打印機前端、混凝土材料等創(chuàng)新技術集成，并打印出混凝土橋梁；于穎等[29]開發(fā)針對混凝土材料特性的混凝土3D打印系統(tǒng)及工藝規(guī)劃，并設計2種龍門式框架結構，通過數(shù)控系統(tǒng)對擠出機構進行仿真分析，對料倉、預攪拌機構及螺桿進行優(yōu)化設計。

隨著尺寸的增大，打印機制造難度相應增大，打印精度和速度則會降低，目前缺少標準化的配合比設計適應具體場景下的打印工藝與設備；打印成型的建筑在美觀性方面頗受質疑，目前混凝土建筑3D打印仍是以層層堆疊為主，不可避免地在打印材料硬化后的表面上留有條形紋理，影響建筑美觀；層層打印難以保證材料硬化后各方向的受力性能。目前打印設備及建造系統(tǒng)的研發(fā)大部分停留于實驗室小規(guī)模階段，設備研發(fā)往往不會針對性地考慮打印材料性能，實驗室打印成果往往與實際施工工藝有較大差距，限制3D打印技術市場化的應用。

1.4 混凝土建筑3D打印實際應用

國內(nèi)外近年來已有高校和企業(yè)利用混凝土3D打印技術完成建造，但大多是示范性個例，尚未形成規(guī)模化的打印建造。

北京華商陸海科技有限公司2016年在北京通州使用45d時間，通過3D打印機打印出第1個鋼筋混凝土別墅；上海盈創(chuàng)有限公司在2016—2018年運用輪廓技術3D打印曲線房屋、3D打印別墅、3D打印6層建筑，該公司率先提出3D打印污水井及化糞池技術，并完成打印；2016年，工程人員應用D型打印技術在西班牙阿科班達市架設世界上第1座長12m、寬1.75m的人行橋，該橋完全由混凝土制成，并采用聚丙烯熱塑性塑料進行增強[30]；荷蘭埃因霍芬理工大學于2017年10月完成3D打印橋，該橋縱向分8個節(jié)段，使用專用水泥打印機在工廠打印好，采用預應力張拉形成整體，運輸?shù)浆F(xiàn)場進行整體吊裝；2017年10月，日本大林組建造日本首座3D打印橋梁，所用3D打印方式是主流的機械臂+混凝土的組合方式[31]；上海建工集團2018年在桃浦智創(chuàng)城完成3D打印橋，該橋在上海建工機施集團的數(shù)字三維建造中心采用1臺龍門架復合3D打印機器人系統(tǒng)進行施工，打印精度達毫米級，一次性成型只用35d；河北工業(yè)大學馬國偉團隊2019年10月在天津按照趙州橋1∶2縮尺打印，現(xiàn)場裝配式組裝成3D打印橋，該橋是目前世界最長跨度的裝配式混凝土3D打印橋，也是世界上單跨最長的混凝土3D打印橋梁；東南大學王香港等[32]利用建筑3D打印技術在南京江北新區(qū)短時間內(nèi)建造混凝土公共衛(wèi)生防控方艙；盈創(chuàng)公司在工廠利用3D打印技術短時間內(nèi)建造多批防疫隔離屋、休息室等送至湖北、山東各地，并送至防疫現(xiàn)場吊裝完成投入使用，如圖1所示。

圖1 3D打印應用實例

3D打印技術在建筑領域的應用目前已由試驗層面逐漸向實際應用推動，但相關政策、規(guī)范的制定還較滯后，缺少配套投資推廣相關應用。建筑3D打印技術實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展離不開校企合作、政企合作、企業(yè)間的合作，目前已有部分合作實踐項目及戰(zhàn)略合作方案：2016年，遼寧格林普建筑打印材料有限公司與同濟大學、大連大學聯(lián)合發(fā)布《3D打印建筑標準》，是我國首個建筑3D打印專用企業(yè)標準；2016年，盈創(chuàng)公司分別與宿遷市、邯鄲市、啟東市等多地政府簽訂3D打印戰(zhàn)略合作協(xié)議；2019年，盈創(chuàng)公司與尉氏縣人民政府簽訂總投資16億元的3D打印創(chuàng)谷產(chǎn)業(yè)園項目；2020年，鄉(xiāng)伴文旅集團與盈創(chuàng)公司達成用3D打印技術構建美麗鄉(xiāng)村的戰(zhàn)略協(xié)議。但是，上述合作項目大多處于戰(zhàn)略合作探索階段，還未形成有影響、成規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化合作，限制了建筑3D打印的發(fā)展。

1.5 混凝土建筑3D打印存在的問題

通過對前述研究和實踐分析，現(xiàn)階段混凝土建筑3D打印技術取得一定成果，但仍存在以下不足：①缺少針對性的工程應用研究 相關研究停留在打印材料、工藝、設備等技術領域，打印成果多是研究團隊的試點項目，缺少從實際工程應用場景出發(fā)的針對性研發(fā)，缺少打印應用的設計，很多研究停留在實驗室層面，局限性較大，研究成果落地性欠缺考證，使理論研究與市場脫軌，研究價值大打折扣。②各環(huán)節(jié)研究協(xié)同效應低 混凝土建筑3D打印的研究涉及材料、設備、軟件、力學等多領域，目前主流的研究往往在各自領域孤軍奮戰(zhàn)，缺少上下游不同學科間的協(xié)同配合。同時，由于缺少行業(yè)規(guī)范的指引，不同高校、企業(yè)、研究團隊間信息嚴重不對稱，3D打印的研究自成體系，限制混凝土建筑3D打印的技術整合與整體發(fā)展。③國家政策指引與扶持力度不足 目前我國還沒有形成國家層面針對混凝土建筑3D打印的行業(yè)標準與規(guī)范，使打印成果缺少驗收評判的標準，相關研究缺少指引；規(guī)范標準的缺失使3D打印技術難以吸引社會資本的投入，阻礙混凝土建筑3D打印技術的市場化。④打印材料的研究尚不能滿足實際大范圍打印需求 相比現(xiàn)澆混凝土，建筑3D打印對材料的要求更高，打印材料需要具有良好的剛度、強度等力學性能，同時滿足建造性、流動性的要求，目前混凝土建筑3D打印材料難以兼顧上述性能，打印強度與承載力遠不能與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結構相比。因此需要提出更符合3D打印技術的工程應用場景，并對打印材料進行針對性研究。

2 混凝土建筑3D打印實際應用場景

現(xiàn)階段建筑3D打印的研究缺少多學科共同參與的過程，材料、工藝、設備等環(huán)節(jié)的研究缺少緊密配合，建筑3D打印施工效率高、成本低、機械化程度高的優(yōu)勢未能完全體現(xiàn)，目前完成的3D打印建筑物也尚未實現(xiàn)標準化、產(chǎn)業(yè)化。建筑3D打印是智能建造的手段，需要土木工程、材料科學、自動控制、計算機、機械工程等多學科共同參與研發(fā)與現(xiàn)場施工。為體現(xiàn)3D打印技術在建筑領域工業(yè)化、智能化建造的優(yōu)勢，應基于目前對基本材料、工藝、設備等環(huán)節(jié)的研究，融合計算機科學技術、信息化技術、數(shù)字計算技術，總結適合建筑3D打印技術的應用場景。我國建筑行業(yè)供需關系龐大，工程建設涉及開發(fā)商、設計院、施工單位、政府等多方利益，傳統(tǒng)施工模式下的各方合作協(xié)調(diào)模式已較成熟，建筑3D打印技術作為新的建造技術，仍處于起步階段。

建筑3D打印技術的使用最大目標并非解決技術問題，而是提高施工效率、節(jié)約工程成本、實現(xiàn)自由建造。由于3D打印建筑在強度、承載力方面無法與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結構相比，建筑3D 打印不會完全取代傳統(tǒng)的施工建造技術，而是良性補充。目前在實際應用中，受國家政策、市場環(huán)境、行業(yè)現(xiàn)狀影響，為了發(fā)揮建筑3D打印的優(yōu)勢，必須細化和優(yōu)選應用，并根據(jù)不同應用場景，針對性地優(yōu)選方案。

我國建筑業(yè)從設計、建造到使用驗收都必須滿足國家、行業(yè)及地方標準規(guī)范要求，設計、施工、驗收的流程必須在合規(guī)合法的框架下完成。建筑3D打印新型設計建造模式無論在國內(nèi)還是國際上，都還沒形成可嚴格執(zhí)行的相關行業(yè)規(guī)范，實踐中打印各方責任不清晰、缺少成熟的驗收標準?？紤]到目前建筑3D打印技術尚不成熟，規(guī)范還未成型，打印的建筑物還不能達到我國規(guī)范、標準要求，因此未來短期內(nèi)3D打印應避開現(xiàn)行規(guī)范強制滿足要求的結構或構件，轉而從城市公共設施，如公交車站、污水處理池、風景園林裝飾構件、臨時構筑物(如擋土墻)等入手(見圖2，3)。通過政府、環(huán)保部門或其他非營利組織的配合與資金投入，打印一批成本相對較低、結合當?shù)丨h(huán)境和社會需要的構筑物；城市基礎設施更新、歷史古建筑修繕保護等也可利用3D打印技術，突出3D打印自由建造、因地制宜、節(jié)約成本的優(yōu)勢。

圖2 3D打印污水井、車站

建筑3D打印在建造異形構件、異形建筑等特殊造型方面具有優(yōu)勢，既節(jié)省傳統(tǒng)施工對模板的依賴，提高經(jīng)濟性，也可加快建造速度、節(jié)約材料，進一步實現(xiàn)建筑的藝術性，具有廣闊的發(fā)展前景。3D打印對建造應急性、臨時性的建筑物具有優(yōu)勢。一旦發(fā)生地震等災害，可利用3D打印技術為災民建造臨時住所，加快災后重建。我國很大一部分農(nóng)村自建房屬于無設計圖紙、無施工資質、無施工監(jiān)管的產(chǎn)品，3D打印技術可實現(xiàn)從設計到施工全過程采用工業(yè)化設備，有效減少項目管理人員及對建筑工人的過度依賴，在農(nóng)村批量打印建造，大幅降低建造成本，提高建房效率，提升農(nóng)民的住房生活品質，同時，順應逆城鎮(zhèn)化潮流，改變農(nóng)村單一不變的建筑結構，實現(xiàn)個性化訂制。面對突發(fā)疫情等緊急公共衛(wèi)生事件，建筑3D打印技術能提高建造效率、簡化建造工序、降低勞動人員密度，短時間內(nèi)提供大量的防疫建筑，減少人員聚集(見圖4)。在面對高溫、嚴寒等特殊天氣及災后、山區(qū)、水下等施工環(huán)境，傳統(tǒng)施工方法受制于地形、人力、設備等，施工難度高、施工成本大、施工效率低，建筑3D打印技術可彌補傳統(tǒng)施工方法的缺點，實現(xiàn)又好又快的建造。

圖4 3D打印檢疫房、隔離屋

3 結語

目前，國內(nèi)外已存在3D打印建造并投入使用的構筑物，但3D打印的建筑物很難走向市場化，最大原因在于質量。建筑3D打印在實現(xiàn)市場化、工業(yè)化、智能化的過程中，打印技術、行業(yè)標準、市場行為、國家政策間并非獨立，相互間存在協(xié)同效應。建筑3D打印相關設計驗收規(guī)范標準建設緩慢，導致研究成果難以大范圍應用，抑制建筑3D打印市場化進程；由于無法廣泛市場化使用，建筑3D打印技術各研究環(huán)節(jié)缺少實踐檢驗，阻礙相關規(guī)范的建設；市場化程度低、知識產(chǎn)權對研究成果保護不夠導致相關資金投入不足，技術研究速度變緩，難以實現(xiàn)突破性的研究。

了解建筑3D打印發(fā)展面臨的困境和難點，針對具體應用提出相應的方案優(yōu)選，能加快建筑3D打印的市場化、工業(yè)化、智能化。由于國家政策扶持，建筑3D打印技術已經(jīng)取得一定進步，獲得較高的社會關注，在此基礎上，提高研發(fā)和打印實踐的公開化程度，在政府引導下提升行業(yè)規(guī)范的建設，聯(lián)動打印設計、設備、材料相關上下游行業(yè)和社會團體，以非營利性質的公共設施、環(huán)保公益設施等為出發(fā)點，整合社會資源，由具有學科優(yōu)勢的高校、實踐經(jīng)驗豐富的企業(yè)牽頭，打印高質量的構筑物，提高社會責任感與公眾信任感，再結合工程經(jīng)驗，推動3D打印技術的發(fā)展，使之不斷成熟，真正走向市場。

通過對建筑3D打印的梳理，總結能夠發(fā)揮建筑3D打印優(yōu)勢的使用場景：①逆城鎮(zhèn)化下的新農(nóng)村建設；②極端天氣、極端環(huán)境下的施工；③城市公共設施；④異形構件、異形建筑、曲面及大跨等傳統(tǒng)施工方法難以建造的現(xiàn)代建筑；⑤應急建筑、災后臨時構筑物等?？筛鶕?jù)這些應用場景對建筑3D打印應用進行自上而下的研究，分析3D打印應選用的材料特性、施工工法、機械設備、軟件系統(tǒng)等。