建筑3D打印，路在何方

來(lái)源：浙江大學(xué)啟真新論

建筑業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。然而，隨著經(jīng)濟(jì)環(huán)境變遷、人員老齡化以及行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，我國(guó)建筑業(yè)正面臨前所未有的挑戰(zhàn)。要推動(dòng)建筑業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型，智能化、綠色化是其重要抓手。隨著人工智能以及相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能建造將以前所未有的速度重塑行業(yè)格局，推動(dòng)建筑業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展‌。

作為新一代的建造模式，智能建造在建筑全生命周期中綜合運(yùn)用信息化、自動(dòng)化、智能化等新興技術(shù)手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)工程安全可靠、品質(zhì)提升、降本增效與綠色低碳。目前我國(guó)正在積極探索可行的智能建造技術(shù)，其中增材智能建造結(jié)合了增材制造（3D打�。�、材料科學(xué)和建筑工程技術(shù)以及智能化系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)字化、自動(dòng)化與智能化融合革新傳統(tǒng)建造模式，正逐漸形成一種新質(zhì)生產(chǎn)力來(lái)助力建筑業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型。

浙江大學(xué)聯(lián)合企業(yè)完成的3D打印非線(xiàn)性商業(yè)建筑

與人行橋 圖源：浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院

增材智能建造進(jìn)展與當(dāng)前面臨的主要問(wèn)題  

增材智能建造無(wú)模施工，省去了傳統(tǒng)施工中的模板費(fèi)用；通過(guò)自動(dòng)化施工、快速成型提升了建造效率；通過(guò)精確的材料使用減少材料浪費(fèi)；通過(guò)減少勞動(dòng)力需求降低人工成本。而且3D打印技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)方法難以完成的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，給建筑師提供更多的設(shè)計(jì)可能性；可根據(jù)客戶(hù)需求進(jìn)行高度定制化設(shè)計(jì)與建造，滿(mǎn)足客戶(hù)的個(gè)性化需求；能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的高精度制造，減少誤差。

目前浙江大學(xué)增材智能建造團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)外同行在建筑3D打印材料、設(shè)備工藝、控制軟件、數(shù)字化設(shè)計(jì)等方面取得了突破與發(fā)展，在住宅與低層建筑、基礎(chǔ)設(shè)施與特殊結(jié)構(gòu)、藝術(shù)與定制化建造方面得到了成功應(yīng)用，這些成功案例不僅展示了該技術(shù)的可行性，也為未來(lái)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

不過(guò)，雖然建筑增材智能建造取得了一定的進(jìn)展，但是仍然面臨著諸多的挑戰(zhàn)和問(wèn)題：

建筑打印材料的長(zhǎng)期性能仍需驗(yàn)證。材料性能是制約技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，目前3D打印混凝土材料可以滿(mǎn)足一般環(huán)境下建筑的安全與耐久性要求，但是其長(zhǎng)期性能尚未掌握，在極端環(huán)境下的表現(xiàn)有待驗(yàn)證。

打印速度與打印質(zhì)量有待提高。打印工藝成熟度和設(shè)備性能限制了目前的打印速度，打印精度和表面質(zhì)量也是一個(gè)重要挑戰(zhàn)，特別是在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印過(guò)程中存在較多的斷點(diǎn)，且表面質(zhì)量欠佳。

標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范缺失。建筑3D打印的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范尚不完善，阻礙了增材智能建造的規(guī)范化發(fā)展。而且，統(tǒng)一的設(shè)計(jì)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及施工規(guī)范的缺乏，使得建筑安全、抗震性能、耐久性能等仍需試驗(yàn)驗(yàn)證，增加了工程質(zhì)量控制與監(jiān)管難度。

工程級(jí)大型設(shè)備初期投資略高。雖然建筑3D打印的市場(chǎng)規(guī)模很大，但是由于工程級(jí)的大型設(shè)備初期投資較大、產(chǎn)業(yè)鏈尚不完善，設(shè)備成本難以在短期內(nèi)通過(guò)規(guī)�；瘧�(yīng)用來(lái)分?jǐn)�，�?dǎo)致目前某些場(chǎng)景中的成本略高。

相關(guān)專(zhuān)業(yè)人才缺乏。作為一項(xiàng)新興建造技術(shù)，建筑3D打印的相關(guān)教材與培訓(xùn)資料缺乏，許多高校和施工企業(yè)沒(méi)有相關(guān)的知識(shí)、技術(shù)儲(chǔ)備和專(zhuān)業(yè)試驗(yàn)、實(shí)踐裝備，專(zhuān)業(yè)人員的缺乏極大限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

浙江大學(xué)聯(lián)合企業(yè)完成的3D打印民居 圖源：人民日?qǐng)?bào)

針對(duì)上述這些問(wèn)題，業(yè)界已在積極應(yīng)對(duì)。在技術(shù)層面，采用高性能混凝土和復(fù)合材料，來(lái)提高打印結(jié)構(gòu)的耐久性能和長(zhǎng)期性能；研發(fā)多軸打印技術(shù)和智能控制系統(tǒng)來(lái)提升打印速度和精度。

在經(jīng)濟(jì)層面，一些設(shè)備企業(yè)開(kāi)始探索新的商業(yè)模式，如打印服務(wù)，以降低用戶(hù)的使用門(mén)檻。

在標(biāo)準(zhǔn)方面，一些國(guó)家和地區(qū)已開(kāi)始制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如美國(guó)正在編制3D打印混凝土墻體的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，浙江大學(xué)也在主導(dǎo)我國(guó)建筑3D打印的設(shè)計(jì)、抗震與材料標(biāo)準(zhǔn)，為技術(shù)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

然而，由于上述這些問(wèn)題的相互交織，建筑3D打印技術(shù)發(fā)展還面臨著一系列困境，尚需要政府、高校、科研機(jī)構(gòu)和技術(shù)企業(yè)協(xié)同努力，攻堅(jiān)克難，來(lái)推進(jìn)此新質(zhì)生產(chǎn)力的快速發(fā)展。

浙江大學(xué)主持的3D打印民居抗震試驗(yàn)

圖源：人民日?qǐng)?bào)海外版

推進(jìn)智能建造發(fā)展的策略與建議  

要推動(dòng)建筑3D打印技術(shù)的快速與可持續(xù)發(fā)展，需要在技術(shù)、材料、成本控制、政策、人才培養(yǎng)等方面協(xié)同努力，以實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的廣泛應(yīng)用和健康發(fā)展。

在技術(shù)層面，加大研發(fā)投入，鼓勵(lì)產(chǎn)學(xué)研合作共同推動(dòng)3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。在建造效率上，可以將3D打印與模塊化建造、預(yù)制裝配式技術(shù)相結(jié)合，來(lái)提升工程的施工效率。在打印精度和速度方面，將AI和機(jī)器人技術(shù)進(jìn)一步融合，優(yōu)化智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程的自動(dòng)化監(jiān)控和打印參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整，并不斷打磨和優(yōu)化打印施工工藝，特別是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印建造工藝。

在設(shè)計(jì)層面，進(jìn)一步探索拓?fù)鋬?yōu)化、仿生設(shè)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，提高打印結(jié)構(gòu)的性能和材料利用率；加強(qiáng)打印結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期性能研究，建立可靠的打印結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法；通過(guò)培訓(xùn)與交流，促進(jìn)建筑師和結(jié)構(gòu)師形成新的設(shè)計(jì)邏輯。

在材料層面，加大對(duì)新型、高性能與多功能打印材料的研發(fā)力度；明確材料的力學(xué)與長(zhǎng)期性能指標(biāo)，建立材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)，為材料選擇和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)；鼓勵(lì)材料開(kāi)發(fā)商、供應(yīng)商與建筑企業(yè)合作，共同推動(dòng)打印材料的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化。

在成本控制層面，通過(guò)規(guī)模化生產(chǎn)和技術(shù)創(chuàng)新降低設(shè)備成本，推廣設(shè)備租賃模式，降低企業(yè)初期投入。政府可通過(guò)財(cái)政補(bǔ)貼和稅收優(yōu)惠，鼓勵(lì)企業(yè)采用增材智能建造技術(shù)，促進(jìn)技術(shù)的規(guī)�；瘧�(yīng)用。建立行業(yè)共享平臺(tái)，促進(jìn)相關(guān)資源的高效利用。探索并拓展增材智能建造技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，特別是其在極端環(huán)境下的應(yīng)用場(chǎng)景與技術(shù)。

在政策層面，加快制定增材智能建造的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和施工規(guī)范，完善相關(guān)法律法規(guī)，為建筑3D打印技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)造良好環(huán)境。政府部門(mén)通過(guò)資金支持和政策引導(dǎo)促進(jìn)技術(shù)研發(fā)和推廣，建立第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)增材智能建造項(xiàng)目進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估和認(rèn)證。加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)、公眾教育與國(guó)際合作，提高社會(huì)對(duì)新技術(shù)的認(rèn)知度和接受度。

第四屆3D打印混凝土材料與結(jié)構(gòu)國(guó)際會(huì)議

在浙江大學(xué)舉辦 圖源：浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院

增材智能建造在建筑行業(yè)、特別是一些特定場(chǎng)景中展現(xiàn)出了巨大的潛力，盡管還面臨著技術(shù)、人才、成本和法規(guī)等多重挑戰(zhàn)，但是隨著技術(shù)進(jìn)步、標(biāo)準(zhǔn)完善與政策支持，該技術(shù)有望在土木工程領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，將推動(dòng)行業(yè)向高效、智能、可持續(xù)的方向不斷發(fā)展。


作者簡(jiǎn)介

孫曉燕：浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院交通工程研究所副教授

王海龍：浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院智能建造與工程管理研究所所長(zhǎng)，教授