3D打印建筑的应用与发展前景

　　文/罗毅(四川省宜宾市国有资产经营有限公司)

　　3D打印建筑是一项新兴的建筑构筑技术，以“轮廊工艺”为基础，喷墨粘稠粉末和熔融挤出等成型方式，采用工业机器人逐层重复铺设材料层构建房屋。相较传统建筑施工方式，具有环保、节能、质优、高效、成本节省、施工安全等优势，顺应国务院《绿色建筑行动方案》的政策方向，具有广阔的发展前景。本文针对当前3D打印建筑技术存在的材料、工艺、规范标准、整体技术研发、专业人才等短板，提出了加快制定国家标准及规范、政府政策支持、深化关键技术研发、促进人才培养等七项发展建议。

　　一、3D打印技术原理与3D打印建筑概念

　　3D打印技术，亦称增材制造(Add material manufacture)技术，其原理是3D打印机运用CAD创建的模型设计为模板，不需要传统刀具、夹具和机床，通过打印机软件将其创建的模型先分解为若干个二维的层面，然后将材料通过喷嘴等装置逐层堆积，就可以打造出任意形状，最终形成3D物件成品(苏达，2016)。

　　3D打印技术起源于美国，1983年美国发明家Chuck Hall发明了世界上第一台3D印刷机，成为3D打印机的雏形。随着1988年分成实体制造技术、1989年粉末激光烧结技术、1992年熔融沉积制造技术的相继出现，基于上述工艺，美国麻省理工学院于1993年发明了3D打印技术，直至2010年全球首个3D打印的完整作品——汽车Urbee由美国Jim Kor团队的3D打印机打印完成。

　　建筑3D打印正是利用分层堆积的基本原理，采用工业机器人逐层重复铺设材料层构建自由形式建筑结构的新兴技术。主要成型方法包括喷墨粘稠粉末(3DP)和熔融挤出(FDM)，新近又出现了压电喷墨、气动、电动和电流体、动力注射式和混合式等新型方法。

　　当前的3D打印建筑技术主要有三种：D型工艺(D-Shape)、轮廓工艺(ContourCrafting)和混凝土打印(ConcretePrinting)(林家超、吴雄、杨文等，2017)。其中最具代表性的“轮廊工艺”，即建筑轮廓打印方法，由美国南加州大学的BehrokhKhoshnevis教授发明，是一种基于混凝土的自动化施工方法，3D打印设备由一个巨型的三维挤出机械构成。该项技术早在2004年就已能“打印”出规格1.52m×0.91m×0.15m的建筑部件。

　　和传统的建筑施工方式相比，3D打印建筑技术减少了多道传统的筑造工序：如材料粗加工、现场放样、支模、切割、吊装等，有效减少装配零件数量，降低了制造、设备、材料、人工、库存成本，同时实现一体设计，一体成型。现今的“轮廊工艺”系统不仅能打印出房屋的墙壁和围护结构，也能创建建筑物基础，建成的建筑可以有效抵挡地震和其他自然灾害。3D打印建筑工艺不仅造价省、建造速度快、制造安全，而且能利用废旧物料，极大减少环境污染，实现绿色环保节能筑屋。

　　二、3D打印建筑的发展现状

　　据统计分析，国际涉及3D打印技术研究较为广泛的领域是工程技术、机械工程和计算机科学技术等，而土木建筑工程领域研究不足1%;国内则广泛运用于计算机科学技术、经济学和临床医学等领域，在土木建筑工程领域研究仅占3.2%。3D打印技术真正应用于建筑领域开始于2013年，在全球范围内，3D打印建筑技术相对领先的国家是美国、俄罗斯、荷兰、英国、日本、中国、阿联酋等国。2013年美国完成了世界上第一个3D打印建筑架构。2014年，荷兰开建的LandscapeHouse成为全球首座3D打印建筑;同时，荷兰机器人公司MX3D完成的跨度12米长人行天桥Bridge项目，从2015年10月正式启动，中途几度中断，历经30个月，直到2018年4月方才完成整个桥体，是全球首座3D打印钢桥。泰国的水泥制造商SRI公司，于2017年开发的项目“三倍 S”3D技术，推动在建筑领域以3D建模方式便捷地建造居住空间。迪拜推出了宏大的3D打印战略计划，即2025年前25%比例的新建筑都将采用3D打印技术制造。

　　在我国，2014年4月，首批3D打印建筑在上海建成;2015年1月，在苏州建成了3D打印别墅住宅。2019年1月，跨度26.3米堪称全球最大规模的混凝土3D打印步行桥，仅用450小时在上海宝山打印成型。此3D打印系统在机器臂前端打印头、打印路径生成及操作系统、独有的打印材料配方等三个方面创新领先于国内外同行，且造价仅为普通桥梁造价的2/3。河南太空灰三维建筑打印科技有限公司已经开发了第二代智能3D建筑打印机，可打印任意形状实体，能应用于商业化，该系统可精确到点，连续打印无断点，还可以配合钢筋(笼)的交叉插入放置，根据需要智能暂停后可自动精确定位上次打印的位置。太空灰3D建筑打印技术在古建筑凉亭、公厕、污水井、景观墙、市政产品等方面也有广泛运用。

　　值得一提的是，上海盈创科技作为全球3D打印建筑领航者，拥有3D打印技术专利达130余项，已成功完成某30层高的住宅项目其中的6层板房的打印与拼装，并打印全球首批10幢3D打印建筑，跨出国门在迪拜完成了全球第一的3D打印办公楼，并且运用于米兰世博会KIP馆等400项国家级、地标性建筑。目前计划在北京和上海各打印一幢20层高纯3D打印的办公大楼，这是3D打印高层建筑的全球首创，而国外类似的技术仍处在实验室阶段。盈创科技不仅助力于香港的市政设施项目建设，还与沙特、阿联酋、美国、德国，以及广袤的非洲等20多个国家签订了项目协议，推广3D打印建筑。北京华商陆海科技公司则率先推出了全球使用普通钢筋混凝土作为原材料的整体3D打印建筑设备，填补了我国3D打印建筑商用化的市场空白。

　　在政策环境保障上，国家对于3D打印材料等新材料行业给予了重点支持。《绿色建筑行动方案》《中国制造2025》《“十三五”材料领域科技创新专项规划》和《增材制造产业发展行动计划(2017—2020年)》等政策先后出台，为我国3D打印材料的发展提供了保障，也为3D打印建筑的智能制造提供了坚实的基础保障。《“十三五”材料领域科技创新专项规划》提出到2020年，要实现3D打印材料80%以上国产化，对国内3D打印建筑提出了明确的目标要求。

　　三、3D打印建筑的短板分析与优势技术拓展研究

　　(一)短板分析

　　目前3D打印技术运用较广的领域有医疗、航天国防、机械、农业、汽车工业、娱乐业、制造业等，但在建筑领域的运用尚处于探索初级阶段，主要是因为3D打印建筑在技术理论与原料等方面还存在一些短板，需要进一步的研究与深入的技术攻关。

　　(1)材料结构性能。3D打印的材料，即“油墨”，主要构成是高标号水泥和玻璃纤维。而玻璃纤维对人体呼吸系统有负面影响(程碧华、汪霄、潘婷，2018)，高标号水泥的回收也较困难。同时材料的承载力强度、耐久性、刚度等各项指标能否符合建筑行业标准，有待专家和管理部门的权威检测和认证，也缺少相关的承载能力实验数据支撑，以至于目前已经问世的3D打印建筑多数为1～3层低矮的建筑，少量为多层住宅。目前材料的类型还不完善，适合3D打印的材料种类有限，发展全新的3D快速成型材料，特别是复合材料例如纳米材料、非均质材料等仍是努力的方向。另外，当前打印材料的凝固硬化速度，如何配合外加添加剂，调节成型时的速凝或缓凝(石从黎、林宗浩、陈敬等，2017)，更好地适应环境温度影响，满足先后层次之间的结构打印咬合强度(The intensity of occlusion)要求，是3D打印建筑中一项需要深度研究的问题。

　　(2)工艺缺陷问题。根据建筑成型的原理不同，3D打印主流技术可分为：快速成型(SLA技术)、熔融沉积成型(FDM技术)、选择性激光烧结(SLS技术)、分层实体制造(LOM技术)(卢凯，2015)。因其逐层堆叠的基本原理，需要底层材料固化之后上层材料才可以叠加，导致两层材料之间不能光滑过度，使得结构表面粗糙，若不进行外装及室内装修，有碍于建筑外立面的美观性，且打印建筑的耐撞击性不如传统房屋。同时就现有制造工艺，其生产效率在打印规模较小型构件时尚有优势，但规模化生产时有打印耗时的弊端，且不能因规模化而改善成本。

　　(3)3D打印技术整体研发不够成熟。3D打印技术运用于建筑，其建造特性使得3D打印设备相对庞大，但民用建筑具有的大型体量，已超出了常规3D打印设备的打印尺度限值，目前设备仅满足小型房屋建造，难以胜任高层、工业化大批量生产。打印“素”材空心墙后增加钢筋补强一次性作业仍有难度，目标是创建一个3D打印系统，可以有效地将钢丝连续打印成网状结构，自动完成建筑物的承重结构体系。但当前国内企业普遍没有安排足够的资金进行技术研发，高校、研究院与企业的合作研发也很欠缺，缺乏突破性的技术进步。

　　(4)欠缺3D打印建筑行业规范。3D打印建筑技术属一个全新的领域，国内外建筑行业内部还没有较为齐备的实验检验数据、完备的理论体系支撑，没有建立起成体系的规范条文及相关技术标准。包括材料、工艺、精度、软件、能源消耗，以及对于最终产成品的抗震性能、耐久性能、承载能力极限、使用年限等的定量化界定，亟待出台相应配套的国家标准与行业规范。

　　(5)专业技术人才短缺。3D打印技术属多学科专业的集成前沿技术，国内3D打印建筑的应用研究领域还较窄，高校专业教学中缺乏3D打印技术相关课程，师资力量不足，职业教育与各类培训机构也没有适应的培训与宣贯，建筑市场大量缺乏理论学术型与应用型的技术人才。加上工业级的3D打印机自身操作复杂，操控人员也需要专门的培训。同时在设备购置、物理实验检验、企业间技术交流等常规的技术保障环节也欠缺经费支撑。

　　(二)3D打印建筑技术的优势

　　受制于技术本身发展水平的限制，当前3D打印技术特别是3D打印建筑仍面临着诸多难题，但3D打印建筑的技术优势依然值得深入研发推广。3D打印建筑的优势主要体现在：

　　(1)环保、节能。3D打印是一种全新的建筑方式，颠覆传统的建筑模式，其最大亮点即是能将建筑渣土、固废钢渣等建筑垃圾再回收利用，同时新建建筑基本不再产出新生建筑垃圾，筑造过程降低建筑粉尘污染，减少雾霾与噪音，实现建筑工地无害化生产(张昕然、薛霄飞、杨海欢等，2017)。

　　(2)质优、高效。打印过程全程由电脑程序操控，直接基于CAD创建模型设计的施工建造，施工误差远小于传统人工作业方式，且缩短施工工期50%～70%。

　　(3)成本节省。材料自身定制性强、可塑性好，无需模板、脚手架，根据设定的需求量身定制产品，相应也减少了大量工序的人工费用，可节约建筑材料30%～60%、减少人工50%～80%(刘洋、曹静雯、罗飞等，2018)，同时节省运输、吊装、材料损耗、废料处理、管理等费用支出，部分“油墨”还可以就地取材于建筑垃圾，经济效益明显。

　　(4)施工安全。大量节省人员劳动力，意味着降低了施工作业的危险性，建筑施工现场伤害事故风险将大幅降低，同时用于建筑施工的安全措施费用也将得到节省(张昕然、周义清，2017)。

　　(5)坚固耐用。3D打印是整体结构成形，且“油墨”材料的比重较传统建材更为轻便，因此成型的建筑抗震性能增强(蒋萌、李云辉、苏达，2015);更少的接头、施工缝等，也使建筑物防水性能更佳;特殊玻璃纤维强化处理的混凝土材料，其强度和使用年限理论上均强于普通钢筋混凝土，特别是碳纤维材料强度达到钢材的20左右。

　　(6)特种作业优势。在打印复杂曲面等特殊的非常规构件、适应恶劣环境作业、复杂地质施工条件等情形下，3D打印优势更为明显，尤其是3D打印不会因为复杂性因素而增加建设成本，即越是异形、个性化的产品,打印成本就越低。此外，除了用于新建工程，3D打印可顺应中央城市工作会议提出的“城市修补和生态修复”要求，以城市修补来替代传统的大拆大建，符合绿色发展的大趋势(罗毅，2018)。3D打印在建筑物的恢复与补强方面，具有极强的适应性，例如运用于古建筑、古文物保护中，可以精准恢复古建筑古文物的残损、遗失部分，创新性解决古建筑古文物的保护难题。3D打印“黑科技”也已成功运用于南京某危桥改造项目，工期仅10天，经检测其强度达到传统水泥浇筑桥栏的2倍以上。可以预见在不久的将来，在地球以外的外星球，3D打印建筑运用于空间站的建设，直接运用月球土壤，模拟月球材料，将是最为适合的技术手段。

　　因此，基于3D打印建筑技术自身的潜在优势，以及当前的行业发展短板，需要着重抓好以下工作上的突破。第一，推动3D打印技术跟建筑行业的深度技术融合、理论研究，填补技术理论的空白;加快出台3D打印建筑从材料、设备、施工等各层级的国家标准、技术规范;第二， 加强3D打印材料技术的攻关，特别是新材料、金属材料、高分子材料、复合材料、建筑回收材料等的研发，实现材料国产化、精细化，且质量可靠、成本降低;第三，全面验证3D打印结构构件、连接方式的强度、延性、、抗震、抗风、耐冲击、撞击性，以及整体抗剪、抗弯、抗拉、抗扭、拉压等力学性能，作好3D打印建筑物适应性的定量科学评估;第四，提高设备的适应性，突破3D打印的尺度局限，以相对小体量的3D打印机，满足建筑产品大空间、大体量、大跨度的需求，并且满足精度要求;第五，更好解决3D打印的综合成本研究，以更高的性价比优势促进3D打印在建筑领域的应用与推广;第六，完善 3D打印建筑技术的人才培养、职业培训，支持产、学、研配套的企、校、院共建模式;第七，出台相关的产业扶持政策，落实政府专项补贴措施。

　　四、3D打印建筑的发展前景

　　麦肯锡的一项专项调查显示，建筑业是生产效率最低的行业。数据显示最近20年里，建筑业全球平均单位时间附加值增长率，仅相当于制造业增长率的1/4。令人吃惊的是，发达国家的情况似乎更加严重，例如德国和日本，在建筑业生产率增长上几乎停滞，而自1970年以来，美国的建筑生产率居然下滑了50%，英国建造师学会的一项调查统计发现60%项目的施工都会延期。相反，中国的装配式建筑增长速度全球最快，尽管发展起步较晚，在最近5年，国内装配式建筑带动劳动生产率以每年7%的水平高速发展。

　　联合国预测，到2050年，全球生活在城市的人口比例将由今天的54%上升到66%。截至2018年底，中国的城镇化率已经达到59.58%，但距离发达国家的70%尚有一定的发展空间。当前中国每年仅开发的商品住房建设竣工面积就达近10亿平方米，此外还有数量庞大的商业及公建项目。人工智能、物联网、虚拟现实、区块链等前沿科技与建筑和房地产市场的融合程度在不断深化,以满足建造领域各环节更高层次的市场需求，提升能源效率。3D打印、BIM技术、装配式技术的发展和创新推动了建筑从制造到“智造”,给项目全生命周期的各个环节带来巨大变革(丁铸、李定发、朱继翔，2017)。全球最大的住宅开发商万科集团创始人王石公开指出，3D打印建筑是将来万科住宅生产方式的升级方向，以顺应新时期市场需求端的要求。

　　党的十八大以来，国务院推进落实创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念及国家大数据战略、“互联网+”行动等相关要求，大力推进大数据技术、云计算技术、物联网技术、3D打印技术、智能化技术发展，塑造建筑业新业态。3D打印与BIM技术，成为建筑业发展战略的重要组成部分，也是建筑业转变发展方式、提质增效、节能减排、绿色发展的必然要求。要积极开展建筑业3D打印设备及材料的研究，结合BIM技术应用，探索3D打印技术运用于建筑部品、构件生产，开展示范应用。基于BIM技术基础的3D打印房子,当前主要是一层层在工厂打印,然后到项目实地组装，未来，发展方向是实现建筑物全过程3D整体打印。

　　由于市场需求叠加政策的双重刺激，中国3D打印材料市场规模保持高速增长，相关政策从制定行业发展目标、给予财政补贴、列入重点领域等方面对3D打印材料行业的发展给予支持。前瞻产业研究院发布的《中国3D打印材料行业发展前景预测与投资策略规划报告》统计数据显示，中国3D打印材料市场规模由2012年的2.6亿元增长至2018年的40亿元，以年均35%以上的速度增长，远远高于全球平均水平。2018年中国3D打印市场总规模超过200亿元，国内的3D打印在建筑工程领域的应用也已经走在了世界的前列。未来要创新开拓3D打印建筑与PPP项目的融合，激发市场活力，充分发挥投资对优化供给结构的关键性作用，促进实现公共服务提质增效目标，增强经济内生增长动力(罗毅，2018)。

　　目前，中国正着手推进编制3D打印建筑产业相关国家规范标准，并与国外的先进科研力量合作，推进建筑3D的规模化、产业化、普及化。2019年4月，全国增材制造标准化技术委员会成立大会召开，对接《中国制造2025》，增材制造(3D打印)标准化工作全面启动。根据上海盈创科技董事长马义和的乐观估计，以目前最新的3D打印技术，对于25层的住宅楼，在完成房屋基础的前提下，不到半个月即可完成整栋楼的建筑框架。加上门窗安装、电线管道排设，再由打印机打印出整体的复合地板和全套家具，业主一个多月就可拎包入住。

　　3D打印技术拥有广阔的发展前景，英国福斯特建筑事务所foster与欧洲航天局合作，已经在探索用月球上现有的材料建造3D打印建筑，用机器人打印月球空间站。中国也以其领先全球的3D打印建筑技术，从现有的建筑模型、建筑装饰、构架配件、小型房屋向完整的房屋体系发展;从实验室和学术理论，逐步走入打印+装配，再到一次打印一次成型的探索之路。

　　五、结语

　　3D打印被认为是“第四次工业革命意义的制造技术”，3D打印材料的技术门槛较高，直至近几年，中国3D打印行业才开始真正发展起来。与国内相比，2013年以前国外对3D打印技术的关注度较高，但自2013年后，国内对3D打印技术的重视程度大幅度提高，以后来居上之趋势逐渐高于国外。目前我国3D打印材料技术和工业化水平不断提高，不断涌现出世界领先水平的3D打印材料，基本形成了较为成熟的产业链，除了能打印建筑外壳，还可以打印后端的家具等物件，在上下游产业均有建树。

　　英国建筑服务研究与信息协会BSRIA(The Building Services Research and Information Association)指出，现存的建筑量可满足2050年所需的80%，意味着未来30年间将产生约占现有建筑体量1/4的建筑规模，市场前景可观。BSRIA可持续建筑团队同时指出，未来3D打印建筑的应用只会越来越多，具有巨大的发展空间。

　　我国3D打印产业的整体发展不平衡不充分，在部分领域与发达国家如美国相比仍有差距，譬如在产业链、工业环境配套、核心技术，以及如激光器等关键器件方面，仍然对国外的依赖度较大。因此探索3D打印技术与建筑工程的融合并非一朝一夕之事，需要直面并克服在材料发展、工艺瓶颈、技术标准、质监管控、打印质量和综合造价等多方面存在的困难和问题。

　　根据国际国内建筑业发展现状，预计在未来的10到20年内，3D打印在建筑领域上的应用或将逐步替代当下传统粗放的建筑技术，即便不能完全替代传统建筑方式，也将是新技术与传统工艺更深层次融合的补充。若将来的科技能实现材料粉末甚至分子层级重组的技术突破，3D打印终将从本质上颠覆整个传统建筑领域的根基。中国的建筑业须要瞄准升级为集成式、精细化、技术密集型的新生产方式，着力发展具有自主知识产权的3D打印建筑技术,以数字建造技术构建中国建筑业的“信息化”时代，为全面推进绿色智能筑造贡献中国方案。