3D打印建筑的應用與發展前景

羅 毅

3D打印建筑的應用與發展前景

羅 毅

（宜賓市國有資產經營有限公司，四川 宜賓 644002）

3D打印建筑是一項新興的建筑構筑技術，以“輪廊工藝”為基礎，噴墨粘稠粉末和熔融擠出等成型方式，采用工業機器人逐層重復鋪設材料層構建房屋．相較傳統建筑施工方式，具有環保、節能、質優、高效、節省成本、施工安全等優勢，順應國務院《綠色建筑行動方案》的政策方向，具有廣闊的發展前景．針對當前3D打印建筑技術存在的材料、工藝、規范標準、整體技術研發、專業人才等短板，提出了加快制定國家標準及規范、政府政策支持、深化關鍵技術研發、促進人才培養等7項發展建議．

3D打印；建筑；應用；前景

1 3D打印建筑的發展現狀

3D打印技術，亦稱增材制造（Add material manufacture）技術，其原理是3D打印機運用CAD創建的模型設計為模板，不需要傳統刀具、夾具和機床，通過打印機軟件將其創建的模型先分解為若干個二維的層面，然后將材料通過噴嘴等裝置逐層堆積，就可以打造出任意形狀，最終形成3D物件成品[1]．建筑3D打印是利用分層堆積的基本原理，采用工業機器人逐層重復鋪設材料層構建自由形式建筑結構的新興技術．目前3D打印建筑技術主要有3種：D型工藝（D-Shape）、輪廓工藝（ContourCrafting）和混凝土打印（ConcretePrinting）[2]．其中最具代表性的“輪廊工藝”，即建筑輪廓打印方法，是一種基于混凝土的自動化施工方法，3D打印設備由一個巨型的三維擠出機械構成．該項技術早在2004年，就已能“打印”出規格1.52m×0.91m×0.15m的建筑部件．

與傳統的建筑施工方式相比，3D打印建筑技術減少了多道傳統的筑造工序，有效減少裝配零件數量，降低了制造、設備、材料、人工、庫存成本，同時實現一體設計，一體成型．現今的“輪廊工藝”系統已經不僅能打印出房屋的墻壁和圍護結構，也能創建建筑物基礎，建成的建筑可以有效抵擋地震和其他自然災害．3D打印建筑工藝不僅造價省、建造速度快、制造安全，而且能利用廢舊物料，極大減少環境污染，實現綠色環保節能筑屋．

據統計分析，國際涉及3D打印技術研究較為廣泛的領域是工程技術、機械工程和計算機科學技術等，而土木建筑工程領域研究不足1%．國內則廣泛運用于計算機科學技術、經濟學和臨床醫學等領域，在土木建筑工程領域研究僅占3.2%．3D打印技術真正應用于建筑領域開始于2013年，在全球范圍內，3D打印建筑技術相對領先的國家是美國、俄羅斯、荷蘭、英國、日本、中國、阿聯酋等國．2013年美國完成了世界上第一個3D打印建筑架構；2014年荷蘭開建的LandscapeHouse成為全球首座3D打印建筑，同時荷蘭機器人公司MX3D完成的跨度12米長人行天橋Bridge項目，從2015年10月正式啟動，中途幾度中斷，歷經30個月，直到2018年4月方才完成整個橋體，是全球首座3D打印技術的鋼橋；泰國的水泥制造商SRI公司，于2017年開發的項目“三倍S”3D技術，推動在建筑領域以3D建模方式便捷地建造居住空間；迪拜推出了宏大的3D打印戰略計劃，即2025年前25%比例的新建筑都將采用3D打印技術制造．

在我國，2014年4月，首批3D打印建筑在上海建成；2015年1月，在蘇州建成了3D打印別墅住宅．2019年1月，跨度26.3米堪稱全球最大規模的混凝土3D打印步行橋，僅用450小時在上海寶山打印成型．此3D打印系統在機器臂前端打印頭、打印路徑生成及操作系統、獨有的打印材料配方等三個方面創新領先于國內外同行，且造價僅為普通橋梁造價的2/3．河南太空灰三維建筑打印科技有限公司已經開發了第二代智能3D建筑打印機，可打印任意形狀實體，能應用于商業化，該系統可精確到點，連續打印無斷點，還可以配合鋼筋（籠）的交叉插入放置，根據需要智能暫停后可自動精確定位上次打印的位置．太空灰3D建筑打印技術在古建筑涼亭、公廁、污水井、景觀墻、市政產品等方面也有廣泛運用．

值得一提的是，上海盈創科技作為全球3D打印建筑領航者，擁有3D打印技術專利達130余項，已成功完成某30層高的住宅項目其中6層板房的打印與拼裝，并打印全球首批10幢3D打印建筑，跨出國門在迪拜完成了全球第一的3D打印辦公樓，并且運用于米蘭世博會KIP館等400項國家級、地標性建筑．目前計劃在北京和上海各打印一幢20層高純3D打印的辦公大樓，這是3D打印高層建筑的全球首創．盈創科技不僅助力于香港特區的市政設施項目建設，還與沙特、阿聯酋、美國、德國，以及非洲等20多個國家簽訂了項目協議，推廣3D打印建筑．北京華商陸海科技公司則率先推出了全球使用普通鋼筋混凝土作為原材料的整體3D打印建筑設備，填補了我國3D打印建筑商用化的市場空白．

在政策環境保障上，國家對于3D打印材料等新材料行業給予了重點支持．《綠色建筑行動方案》、《中國制造2025》、《“十三五”材料領域科技創新專項規劃》和《增材制造產業發展行動計劃(2017-2020年)》等政策先后出臺，為我國3D打印材料的發展提供了保障，也為3D打印建筑的智能制造提供了堅實的基礎保障．《“十三五”材料領域科技創新專項規劃》提出到2020年，要實現3D打印材料80%以上國產化，對國內3D打印建筑提出了明確的目標要求．

2 3D打印建筑的短板與優勢

3D打印技術的快速發展，使科技運用于各領域造福于人類，目前3D打印技術運用較廣的領域有醫療、航天國防、機械、農業、汽車工業、娛樂業、制造業等，但在建筑領域的運用尚處于探索的初級階段，主要是因為3D打印建筑在技術理論與原料等方面還存在一些短板，需要進一步的研究與深入的技術攻關．

2.1 3D打印建筑的短板

2.1.1 材料結構性能

3D打印的材料，即“油墨”，構成主要是高標號水泥和玻璃纖維．而玻璃纖維對人體呼吸系統有負面影響[3]，高標號水泥的回收也較困難．同時材料的承載力強度、耐久性、剛度等各項指標能否符合建筑行業標準，尚有待專家和管理部門的權威檢測和認證，也缺少相關的承載能力實驗數據支撐，以至于目前已經問世的3D打印建筑多數為1～3層低矮的建筑，少量為多層住宅．目前材料的類型還不完善，適合3D打印的材料種類有限，發展全新的3D快速成型材料，特別是復合材料，例如納米材料、非均質材料等仍是努力的方向．另外，當前打印材料的凝固硬化速度，如何配合外加添加劑，調節成型時的速凝或緩凝[4]，更好地適應環境溫度影響，滿足先后層次之間的結構打印咬合強度（The intensity of occlusion）要求，是3D打印建筑中一項需要深度研究的問題．

2.1.2 工藝缺陷問題

根據建筑成型的原理不同，3D打印主流技術可分為：快速成型（SLA技術）、熔融沉積成型（FDM技術）、選擇性激光燒結（SLS技術）、分層實體制造（LOM技術）[5]．因其逐層堆疊的基本原理，需要底層材料固化之后上層材料才可以疊加，導致兩層材料之間不能光滑過度，使得結構表面粗糙，若不進行外裝及室內裝修，有礙于建筑外立面的美觀性，且打印建筑的耐撞擊性不如傳統房屋．同時就現有制造工藝，其生產效率在打印規模較小型構件時尚有優勢，但規模化生產相反有打印耗時的弊端，且不能因規模化而改善成本．

2.1.3 3D打印技術整體研發不夠成熟

3D打印技術運用于建筑，其建造特性使得3D打印設備相對龐大，但民用建筑具有的大型體量，已超出了常規3D打印設備的打印尺度限值，目前設備僅滿足小型房屋建造，難以勝任高層、工業化大批量生產；打印“素”材空心墻后的增加鋼筋補強一次性作業仍有難度，目標是創建一個3D打印系統，可以有效的將鋼絲連續打印成網狀結構，自動完成建筑物的承重結構體系；但當前國內企業普遍沒有安排足夠的資金進行技術研發，高校、研究院與企業的合作研發也很欠缺，缺乏突破性的技術進步．

2.1.4 3D打印建筑行業規范欠缺

3D打印建筑技術屬一個全新的領域，國內外在建筑行業內部還沒有較為齊備的實驗檢驗數據、完備的理論體系支撐，沒有建立起成體系的規范條文及相關技術標準．包括材料、工藝、精度、軟件、能源消耗，以及對于最終產成品的抗震性能、耐久性能、承載能力極限、使用年限等的定量化界定，都亟待出臺相應配套的國家標準與行業規范．

2.1.5 專業技術人才短缺

3D打印技術屬多學科專業的集成前沿技術，國內3D打印建筑的應用研究領域還較窄，高校專業教學中缺乏和3D打印技術相關課程，師資力量不足，職業教育與各類培訓機構也沒有適應的培訓與宣貫，建筑市場大量缺乏理論學術型與應用型的技術人才，包括工業級的3D打印機自身操作復雜，操控人員也需要專門的培訓．同時在設備購置、物理實驗檢驗、企業間技術交流等常規的技術保障環節也欠缺經費支撐．

2.2 3D打印建筑的優勢

1）環保、節能．3D打印是一種全新的建筑方式，顛覆傳統的建筑模式，其最大亮點即是能將建筑渣土、固廢鋼渣等建筑垃圾再回收利用，同時新建建筑基本不再產出新生建筑垃圾，筑造過程降低建筑粉塵污染，減少霧霾與噪音，實現建筑工地無害化生產[6]．

2）質優高效．打印過程全程由電腦程序操控，直接基于CAD創建模型設計的施工建造，施工誤差遠小于傳統人工作業方式，且縮短施工工期50%~70%．

3）節省成本．材料自身定制型強，可塑性好，無需模板、腳手架，根據設定的需求量身定制產品，相應也減少了大量工序的人工費用，可節約建筑材料30%~60%、減少人工50%~80%[7]，同時節省運輸、吊裝、材料損耗、廢料處理、管理等費用支出，部分“油墨”還可以就地取材于建筑垃圾，經濟效益明顯．

4）施工安全．大量節省人員勞動力，意味著降低了施工作業的危險性，建筑施工現場傷害事故風險將大幅降低，同時用于建筑施工的安全措施費用也將得到節省[8]．

5）堅固耐用．3D打印是整體結構成形，且“油墨”材料的比重較傳統建材更為輕便，因此成型的建筑抗震性能增強[9]；更少的接頭、施工縫等，也使建筑物防水性能更佳；特殊玻璃纖維強化處理的混凝土材料，其強度和使用年限理論上均強于普通鋼筋混凝土，特別是碳纖維材料強度達到鋼材的20左右．

6）特種作業優勢．在打印復雜曲面等特殊的非常規構件、適應惡劣環境作業、復雜地質施工條件等情形下，3D打印優勢更為明顯，尤其是3D打印不會因為復雜性因素而增加建設成本，即越是異形、個性化的產品，打印成本就越低；此外，除了用于新建工程，3D打印可順應中央城市工作會議提出的“城市修補和生態修復”，以城市修補來替代傳統的大拆大建，符合綠色發展的大趨勢[10]；3D打印在建筑物的恢復與補強方面，具有極強的適應性，例如運用于古建筑、古文物保護中，可以精準恢復古建筑古文物的殘損、遺失部分，創新性解決古建筑古文物的保護難題；3D打印“黑科技”也已成功運用于南京某危橋改造項目，工期僅10天，經檢測其強度達到傳統水泥澆筑橋欄的2倍以上．可以預見在不久的將來，在地球以外的外星球，3D打印建筑運用于空間站的建設，直接運用月球土壤，模擬月球材料，將是最為適合的技術手段．

3 3D打印建筑的發展前景

麥肯錫的一項專項調查顯示：建筑業是屬生產效率最低的行業．數據顯示最近20年里，建筑業全球平均單位時間附加值增長率，僅相當于制造業增長率的1/4．令人吃驚的是，發達國家的情況似乎更加嚴重，例如德國和日本，在建筑業生產率增長上幾乎停滯，而自1970年以來，美國的建筑生產率居然下滑了50%，英國建造師學會的一項調查統計發現60%項目的施工都會延期．相反，中國的裝配式建筑增長速度全球最快，盡管發展起步較晚，在最近5年，國內裝配式建筑帶動勞動生產率以每年7%的水平高速發展．

聯合國預測，到2050年，全球生活在城市的人口比例將由今天的54%上升到66%．截止2018年底，中國的城鎮化率已經達到59.58%，但距離發達國家的70%尚有一定的發展空間．當前中國每年僅開發的商品住房建設竣工面積就達近10億平方米，此外還有數量龐大的商業、及公建項目．人工智能、物聯網、虛擬現實、區塊鏈等前沿科技與建筑和房地產市場的融合程度在不斷深化，以滿足建造領域各環節更高層次的市場需求，提升能源效率．3D打印、BIM技術、裝配式技術的發展和創新推動了建筑從制造到“智造”，給項目全生命周期的各個環節帶來巨大變革[11]．全球最大的住宅開發商萬科集團創始人王石公開指出，3D打印建筑是將來萬科住宅生產方式的升級方向，以順應新時期市場需求端的要求．

黨的十八大以來，國務院推進落實創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念及國家大數據戰略、“互聯網+”行動等相關要求，大力推進大數據技術、云計算技術、物聯網技術、3D打印技術、智能化技術，塑造建筑業新業態．3D打印與BIM技術，成為建筑業發展戰略的重要組成部分，也是建筑業轉變發展方式、提質增效、節能減排、綠色發展的必然要求．積極開展建筑業3D打印設備及材料的研究，結合BIM技術應用，探索3D打印技術運用于建筑部品、構件生產，開展示范應用．基于BIM技術基礎的3D打印房子，當前主要是一層層在工廠打印，然后到項目實地組裝，未來，發展方向是實現建筑物全過程3D整體打印．

由于市場需求疊加政策的雙重刺激，中國3D打印材料市場規模保持高速增長，相關政策從制定行業發展目標、給予財政補貼、列入重點領域等方面對3D打印材料行業的發展給予支持．據前瞻產業研究院發布的《中國3D打印材料行業發展前景預測與投資策略規劃報告》統計數據顯示，中國3D打印材料市場規模由2012年的2.6億元增長至2018年的40億元，以年均35%以上的速度增長，遠遠高于全球平均水平．2018年中國3D打印市場總規模超過200億元，國內的3D打印在建筑工程領域的應用也已經走在了世界的前列．未來要創新開拓3D打印建筑與PPP項目的融合，激發市場活力，充分發揮投資對優化供給結構的關鍵性作用，促進實現公共服務提質增效目標，增強經濟內生增長動力[12]．

目前，中國正著手推進編制3D打印建筑產業相關國家規范標準，并與國外的先進科研力量合作，推進建筑3D的規模化、產業化、普及化．2019年4月，全國增材制造標準化技術委員會成立大會召開，同時對接《中國制造2025》，增材制造（3D打印）標準化工作全面啟動．根據上海盈創科技董事長馬義和的樂觀估計，以目前最新的3D打印技術，對于25層的住宅樓，在完成房屋基礎的前提下，不到半個月即可完成整棟樓的建筑框架．加上門窗安裝、電線管道排設，再由打印機打印出整體的復合地板和全套家具，業主一個多月就可拎包入住．

3D打印技術擁有廣闊的發展前景，英國福斯特建筑事務所foster與歐洲航天局合作，已經在探索用月球上現有的材料建造3D打印建筑，用機器人打印月球空間站．中國也以其領先全球的3D打印建筑技術，從現有的建筑模型、建筑裝飾、構架配件、小型房屋向完整的房屋體系發展；從實驗室和學術理論，逐步走入打印+裝配，再到一次打印一次成型的探索之路．

3D打印被認為是“第四次工業革命意義的制造技術”，3D打印材料的技術門檻較高，直至近幾年，中國3D打印行業才開始真正發展起來．與國內相比，2013年以前國外對3D打印技術的關注度較高，但自2013年后，國內對3D打印技術的重視程度大幅度提高，以后來居上之趨勢逐漸高于國外．目前我國3D打印材料技術和工業化水平不斷提高，不斷涌現出世界領先水平的3D打印材料，基本形成了較為成熟的產業鏈，除了能打印建筑外殼，還可以打印后端的家具等物件，在上下游產業均有建樹．

英國建筑服務研究與信息協會BSRIA（The Building Services Research and Information Association）指出，現存的建筑量可滿足2050年所需的80%，意味著未來30年間將產生約占現有建筑體量1/4的建筑規模，市場前景可觀．BSRIA可持續建筑團隊同時指出，未來3D打印建筑的應用只會越來越多，具有巨大的發展空間．

4 3D打印產業發展建議

我國3D打印產業的整體發展不平衡不充分，在部分領域與發達國家如美國相比仍有差距，如在產業鏈、工業環境配套、核心技術、以及如激光器等關鍵器件等方面，對國外的依賴度較大．因此，探索3D打印技術與建筑工程的融合并非一朝一夕就可解決，需要直面并克服在材料發展、工藝瓶頸、技術標準、質監管控、打印質量和綜合造價等多方面存在的困難和問題．

1）推動3D打印技術跟建筑行業的深度技術融合、理論研究，填補技術理論的空白；加快出臺3D打印建筑從材料、設備、施工等各層級的國家標準、技術規范．

2）3D打印材料技術的攻關，特別是新材料、金屬材料、高分子材料、復合材料、建筑回收材料等的研發，實現材料國產化、精細化，且質量可靠、成本低．

3）全面驗證3D打印結構構件、連接方式的強度、延性、、抗震、抗風、耐沖擊、撞擊性，以及整體抗剪、抗彎、抗拉、抗扭、拉壓等力學性能保障，作好3D打印建筑物適應性的定量科學評估．

4）提高設備的適應性，突破3D打印的尺度局限，以相對小體量的3D打印機，滿足建筑產品大空間、大體量、大跨度的需求，并且滿足精度要求．

5）更好地解決3D打印的綜合成本研究，以更高的性價比優勢促進3D打印在建筑領域的應用與推廣．

6）完善3D打印建筑技術的人才培養、職業培訓，支持產學研配套的企、校院共建模式；

7）出臺相關的產業政策扶持，落實政府專項補貼措施．

根據國際國內建筑業發展現狀，預計在未來的10~20年內，3D打印在建筑領域上的應用或將逐步替代當下傳統粗放的建筑技術，即便3D打印技術不可能完全替代傳統建筑方式，也將是新技術與傳統工藝更深層次融合補充．若將來的科技能實現材料粉末甚至分子層級重組的技術突破，3D打印終將從本質上顛覆整個傳統建筑領域的根基．中國的建筑業須要瞄準升級為集成式、精細化、技術密集型的新生產方式，著力發展具有自主知識產權的3D打印建筑技術，以數字建造技術構建中國建筑業的“信息化”時代，為全面推進綠色智能筑造貢獻中國方案．

[1] 蘇達．3D打印建筑結構材料的性能研究[J]．工程建設與設計，2016（07）：52-54．

[2] 林家超，吳雄，楊文，等．3D打印建筑材料性能影響因素與分析研究[J]．新型建筑材料，2017（10）：62-65．

[3] 程碧華，汪霄，潘婷．3D打印技術在建筑領域的應用及問題探析[J]．科技管理研究，2018（07）：172-177．

[4] 石從黎，林宗浩，陳敬，等．3D打印混凝土技術的初探[J]．重慶建筑，2017（03）：24-27．

[5] 盧凱．基于FDM的3D打印分層處理技術研究[D]．長春工業大學，2015．

[6] 張昕然，薛霄飛，楊海歡，等．3D打印技術——建筑垃圾資源化利用的加速器[J]．建設科技，2017（10）：60-62．

[7] 劉洋，曹靜雯，羅飛，等．3D打印建筑時間成本研究[J]．機械管理開發，2018（06）：226-228．

[8] 張昕然，周義清．3D打印建筑技術——顛覆腳手架時代[J]．中外建筑，2017（07）：74-75．

[9] 蔣萌，李云輝，蘇達．3D打印建筑——建筑業的一場革命[J]．工程建設與設計，2015（11）：32-33+37．

[10]羅毅．既有老舊小區加裝電梯政策解讀與模式探討[J]．現代城市，2018（01）：30-33．

[11]丁鑄，李定發，朱繼翔．3D打印建筑材料現狀及其發展[J]．墻材革新與建筑節能，2017（10）：61-65．

[12]羅毅．論PPP項目模式的規范性[J]．建筑與預算，2018（12）：16-21．

Application and Development Prospect of 3D Printing Architecture

LUO Yi

（）

3D printing architecture is a new building construction technology. Based on the “wheel gallery technology”, with the ink-jet thick powder and melting extrusion molding methods, the industrial robot is used to lay the material repeatedly layer by layer in building the house. Compared with the traditional building construction method, it has the advantages of environmental protection, energy conservation, top quality, high efficiency, low cost and safe construction. It conforms to the policy direction of the state council’s “Green Building Action” and has a broad development prospect. As current 3D printing building technology has many shortcomings in aspects such as material, technology, specification and standard, overall technology research, and professional talents, seven development suggestions are put forward, including accelerating the development of national standards, strengthening government policy support, deepening key technology research and development, and promoting personnel training.

3D printing; building construction; application; prospects

2019-07-01

羅毅，男，四川隆昌人，碩士研究生（MBA），高級工程師，國家注冊造價工程師，一級建造師，研究方向：工程建設、項目開發、城市規劃、技術經濟．

TU18

B

1672-0318（2020）01-0034-06

10.13899/j.cnki.szptxb.2020.01.006