混凝土建筑3D打印技術(shù)工程應(yīng)用分析*

段珍華，劉一村，肖建莊，丁 陶

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

0 引言

隨著德國(guó)2011年提出工業(yè)制造4.0概念后，我國(guó)于2015年相繼推出《中國(guó)制造2025》《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃》等政策[1]，將3D打印發(fā)展提升到國(guó)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(dòng)密集度高、自動(dòng)化程度低、安全事故頻發(fā)等特點(diǎn)，工業(yè)化程度落后于整個(gè)制造業(yè)。數(shù)據(jù)顯示，整個(gè)制造行業(yè)的價(jià)值增值率為62%，而建筑行業(yè)價(jià)值增值率為10%，相差52%；資源價(jià)值浪費(fèi)在制造行業(yè)是57%，而建筑行業(yè)是26%，相差31%[2]。隨著我國(guó)人口出生率下降、人口老齡化程度加深，我國(guó)勞動(dòng)年齡的人口增速明顯降低，建筑業(yè)勞動(dòng)力年齡結(jié)構(gòu)趨于老化，我國(guó)勞動(dòng)力成本上漲、勞動(dòng)力資源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)峻，如表1所示[3-4]。2015—2019年我國(guó)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(guó)農(nóng)民工年齡構(gòu)成與占比

我國(guó)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(shí)現(xiàn)工業(yè)化提供技術(shù)基礎(chǔ)，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2016年出臺(tái)《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(shè)備及材料的研究，極大推動(dòng)3D打印技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、質(zhì)量驗(yàn)收和評(píng)價(jià)體系；在打印材料、打印設(shè)備、打印工藝等方面均存在大量難點(diǎn)；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(xiàng)目，尚未形成規(guī)模化的標(biāo)準(zhǔn)打印；有關(guān)3D打印知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、3D打印建筑成本核算等具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的課題鮮有研究。建筑3D打印需實(shí)現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)工業(yè)化、現(xiàn)代化，一方面需加快對(duì)打印各環(huán)節(jié)的研發(fā)，另一方面需對(duì)建筑3D打印進(jìn)行方案優(yōu)選，提高打印效率，完善打印全過(guò)程設(shè)計(jì)、材料、設(shè)備、工藝各環(huán)節(jié)的配合，在此基礎(chǔ)上，不斷結(jié)合實(shí)踐成果，拓展對(duì)建筑3D打印經(jīng)濟(jì)綜合效益的研究，推動(dòng)建筑3D打印應(yīng)用的發(fā)展。

通過(guò)梳理混凝土建筑3D打印現(xiàn)階段在工藝、材料、設(shè)備等方面的研究成果，總結(jié)存在的問(wèn)題與不足，并通過(guò)混凝土建筑3D打印全流程設(shè)計(jì)，針對(duì)不同工程應(yīng)用提出高效、合理的生產(chǎn)建造過(guò)程，推動(dòng)3D打印在建筑領(lǐng)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(duì)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(jī)械臂驅(qū)動(dòng)的材料三維構(gòu)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(gòu)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(hù)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(shù)，通過(guò)大型三維擠出裝置和帶有抹刀的噴嘴，實(shí)現(xiàn)混凝土分層堆積打印；2010年，Dini[9]提出使用噴擠黏結(jié)劑選擇性膠凝硬化逐層砂礫粉末實(shí)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(zhì)地類似于大理石，比混凝土強(qiáng)度更高，且不需要內(nèi)置鐵管進(jìn)行加固；2007年，Bosscher等[10]改進(jìn)并提出輪廓工藝-帶纜索系統(tǒng)，采用基于直角坐標(biāo)系的輪廓工藝?yán)|索機(jī)器人進(jìn)行施工，即以鋼框架作為機(jī)械骨架，通過(guò)12條纜索控制終端噴嘴的三維運(yùn)動(dòng)；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(shì)在于可根據(jù)打印材料配合比控制擠出速度，同時(shí)定制化程度高、設(shè)計(jì)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(jié)力較低、對(duì)材料承載力要求較高。混凝土打印技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于精度較高，但對(duì)泵送壓力、打印材料流變性能、打印時(shí)間控制要求高，需各要素緊密配合，因此打印效率相對(duì)較低，打印構(gòu)件受打印機(jī)尺寸限制較大。D型打印技術(shù)的成本低、效率高、打印材料強(qiáng)度較高，但打印機(jī)器占地面積大、前期準(zhǔn)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(shè)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(duì)材料要求比傳統(tǒng)建造中普通混凝土更嚴(yán)格，打印材料需具有良好的強(qiáng)度、剛度、較好的抗裂性和塑性，需滿足可擠出性和較好流動(dòng)性、可控的凝結(jié)時(shí)間、良好的堆砌性和較高的層間銜接性、高強(qiáng)度的材料特性[13-15]。

針對(duì)上述3D打印材料特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)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(guò)1.5%會(huì)導(dǎo)致打印噴嘴處堵塞，打印材料骨料過(guò)大會(huì)堵塞打印管道及噴嘴，因此應(yīng)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(huì)相應(yīng)提高打印材料流動(dòng)性，但過(guò)高的流動(dòng)性會(huì)降低可建造性；藺喜強(qiáng)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(jié)時(shí)間控制在20～60min；Le等[11]研究聚丙烯微纖維增強(qiáng)細(xì)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(dòng)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(guò)添加復(fù)合調(diào)凝劑和復(fù)合體積穩(wěn)定劑制成3D打印材料，具有早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度發(fā)展穩(wěn)定的特點(diǎn)；范詩(shī)建等[15]發(fā)現(xiàn)磷酸鹽水泥早期強(qiáng)度遠(yuǎn)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(jì)性較差；Perrot等[20]發(fā)現(xiàn)打印速度降低時(shí)，構(gòu)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(qiáng)度均有所提高；Hambach等[16]研究表明短纖維可增強(qiáng)3D打印油墨材料的28d抗壓、抗折強(qiáng)度。

由于混凝土建筑3D打印對(duì)材料性能要求較高，不同學(xué)者研究的針對(duì)性不同，所用的設(shè)備和工藝也不同，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果間缺乏可比性。目前，混凝土建筑3D打印材料主要通過(guò)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(duì)混凝土建筑3D打印材料長(zhǎng)期性能的相關(guān)研究。同時(shí)，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(shí)滿足3D打印混凝土對(duì)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(jié)構(gòu)施工建造，若單純使用油墨材料而沒(méi)有鋼筋協(xié)同工作，很難滿足打印結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度時(shí)可能出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)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(shè)備相呼應(yīng)，導(dǎo)致材料研究與實(shí)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(shè)備

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

Sakdanarseth等[22]提出需考慮打印工藝的限制進(jìn)行設(shè)計(jì)；Lim等[23]提出曲層打印的新路徑計(jì)算方法，更適用于大尺寸建筑構(gòu)件打印，可達(dá)到更好的表面精度和強(qiáng)度，同時(shí)縮短打印時(shí)間；Khoshneivis[24]在噴嘴處設(shè)計(jì)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(jié)時(shí)間；覃亞偉等[26]指出，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)打印路徑文件控制噴嘴沿設(shè)計(jì)的打印路徑運(yùn)動(dòng)并完成打印；丁烈云等[27]對(duì)3D打印水泥砂漿砌體技術(shù)進(jìn)行研究，提出基于BIM建筑模型的水泥砂漿砌體自動(dòng)建造裝置及工作方法；徐衛(wèi)國(guó)[28]自主研發(fā)3D打印系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)字建筑設(shè)計(jì)、打印路徑生成、操作控制系統(tǒng)、打印機(jī)前端、混凝土材料等創(chuàng)新技術(shù)集成，并打印出混凝土橋梁；于穎等[29]開(kāi)發(fā)針對(duì)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(shè)計(jì)2種龍門(mén)式框架結(jié)構(gòu)，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)擠出機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，對(duì)料倉(cāng)、預(yù)攪拌機(jī)構(gòu)及螺桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

隨著尺寸的增大，打印機(jī)制造難度相應(yīng)增大，打印精度和速度則會(huì)降低，目前缺少標(biāo)準(zhǔn)化的配合比設(shè)計(jì)適應(yīng)具體場(chǎng)景下的打印工藝與設(shè)備；打印成型的建筑在美觀性方面頗受質(zhì)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(shè)備及建造系統(tǒng)的研發(fā)大部分停留于實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模階段，設(shè)備研發(fā)往往不會(huì)針對(duì)性地考慮打印材料性能，實(shí)驗(yàn)室打印成果往往與實(shí)際施工工藝有較大差距，限制3D打印技術(shù)市場(chǎng)化的應(yīng)用。

1.4 混凝土建筑3D打印實(shí)際應(yīng)用

國(guó)內(nèi)外近年來(lái)已有高校和企業(yè)利用混凝土3D打印技術(shù)完成建造，但大多是示范性個(gè)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(shí)間，通過(guò)3D打印機(jī)打印出第1個(gè)鋼筋混凝土別墅；上海盈創(chuàng)有限公司在2016—2018年運(yùn)用輪廓技術(shù)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(shù)，并完成打印；2016年，工程人員應(yīng)用D型打印技術(shù)在西班牙阿科班達(dá)市架設(shè)世界上第1座長(zhǎng)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(jìn)行增強(qiáng)[30]；荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)于2017年10月完成3D打印橋，該橋縱向分8個(gè)節(jié)段，使用專用水泥打印機(jī)在工廠打印好，采用預(yù)應(yīng)力張拉形成整體，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)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(jī)械臂+混凝土的組合方式[31]；上海建工集團(tuán)2018年在桃浦智創(chuàng)城完成3D打印橋，該橋在上海建工機(jī)施集團(tuán)的數(shù)字三維建造中心采用1臺(tái)龍門(mén)架復(fù)合3D打印機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行施工，打印精度達(dá)毫米級(jí)，一次性成型只用35d；河北工業(yè)大學(xué)馬國(guó)偉團(tuán)隊(duì)2019年10月在天津按照趙州橋1∶2縮尺打印，現(xiàn)場(chǎng)裝配式組裝成3D打印橋，該橋是目前世界最長(zhǎng)跨度的裝配式混凝土3D打印橋，也是世界上單跨最長(zhǎng)的混凝土3D打印橋梁；東南大學(xué)王香港等[32]利用建筑3D打印技術(shù)在南京江北新區(qū)短時(shí)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(shù)短時(shí)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(chǎng)吊裝完成投入使用，如圖1所示。

圖1 3D打印應(yīng)用實(shí)例

3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用目前已由試驗(yàn)層面逐漸向?qū)嶋H應(yīng)用推動(dòng)，但相關(guān)政策、規(guī)范的制定還較滯后，缺少配套投資推廣相關(guān)應(yīng)用。建筑3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展離不開(kāi)校企合作、政企合作、企業(yè)間的合作，目前已有部分合作實(shí)踐項(xiàng)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(jì)大學(xué)、大連大學(xué)聯(lián)合發(fā)布《3D打印建筑標(biāo)準(zhǔn)》，是我國(guó)首個(gè)建筑3D打印專用企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；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(xiàng)目；2020年，鄉(xiāng)伴文旅集團(tuán)與盈創(chuàng)公司達(dá)成用3D打印技術(shù)構(gòu)建美麗鄉(xiāng)村的戰(zhàn)略協(xié)議。但是，上述合作項(xiàng)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(wèn)題

通過(guò)對(duì)前述研究和實(shí)踐分析，現(xiàn)階段混凝土建筑3D打印技術(shù)取得一定成果，但仍存在以下不足：①缺少針對(duì)性的工程應(yīng)用研究 相關(guān)研究停留在打印材料、工藝、設(shè)備等技術(shù)領(lǐng)域，打印成果多是研究團(tuán)隊(duì)的試點(diǎn)項(xiàng)目，缺少?gòu)膶?shí)際工程應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā)的針對(duì)性研發(fā)，缺少打印應(yīng)用的設(shè)計(jì)，很多研究停留在實(shí)驗(yàn)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(chǎng)脫軌，研究?jī)r(jià)值大打折扣。②各環(huán)節(jié)研究協(xié)同效應(yīng)低 混凝土建筑3D打印的研究涉及材料、設(shè)備、軟件、力學(xué)等多領(lǐng)域，目前主流的研究往往在各自領(lǐng)域孤軍奮戰(zhàn)，缺少上下游不同學(xué)科間的協(xié)同配合。同時(shí)，由于缺少行業(yè)規(guī)范的指引，不同高校、企業(yè)、研究團(tuán)隊(duì)間信息嚴(yán)重不對(duì)稱，3D打印的研究自成體系，限制混凝土建筑3D打印的技術(shù)整合與整體發(fā)展。③國(guó)家政策指引與扶持力度不足 目前我國(guó)還沒(méi)有形成國(guó)家層面針對(duì)混凝土建筑3D打印的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，使打印成果缺少驗(yàn)收評(píng)判的標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)研究缺少指引；規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的缺失使3D打印技術(shù)難以吸引社會(huì)資本的投入，阻礙混凝土建筑3D打印技術(shù)的市場(chǎng)化。④打印材料的研究尚不能滿足實(shí)際大范圍打印需求 相比現(xiàn)澆混凝土，建筑3D打印對(duì)材料的要求更高，打印材料需要具有良好的剛度、強(qiáng)度等力學(xué)性能，同時(shí)滿足建造性、流動(dòng)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(qiáng)度與承載力遠(yuǎn)不能與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比。因此需要提出更符合3D打印技術(shù)的工程應(yīng)用場(chǎng)景，并對(duì)打印材料進(jìn)行針對(duì)性研究。

2 混凝土建筑3D打印實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景

現(xiàn)階段建筑3D打印的研究缺少多學(xué)科共同參與的過(guò)程，材料、工藝、設(shè)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(jī)械化程度高的優(yōu)勢(shì)未能完全體現(xiàn)，目前完成的3D打印建筑物也尚未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)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(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、機(jī)械工程等多學(xué)科共同參與研發(fā)與現(xiàn)場(chǎng)施工。為體現(xiàn)3D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域工業(yè)化、智能化建造的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)基于目前對(duì)基本材料、工藝、設(shè)備等環(huán)節(jié)的研究，融合計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、信息化技術(shù)、數(shù)字計(jì)算技術(shù)，總結(jié)適合建筑3D打印技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。我國(guó)建筑行業(yè)供需關(guān)系龐大，工程建設(shè)涉及開(kāi)發(fā)商、設(shè)計(jì)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(shù)作為新的建造技術(shù)，仍處于起步階段。

建筑3D打印技術(shù)的使用最大目標(biāo)并非解決技術(shù)問(wèn)題，而是提高施工效率、節(jié)約工程成本、實(shí)現(xiàn)自由建造。由于3D打印建筑在強(qiáng)度、承載力方面無(wú)法與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，建筑3D 打印不會(huì)完全取代傳統(tǒng)的施工建造技術(shù)，而是良性補(bǔ)充。目前在實(shí)際應(yīng)用中，受?chē)?guó)家政策、市場(chǎng)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(shì)，必須細(xì)化和優(yōu)選應(yīng)用，并根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景，針對(duì)性地優(yōu)選方案。

我國(guó)建筑業(yè)從設(shè)計(jì)、建造到使用驗(yàn)收都必須滿足國(guó)家、行業(yè)及地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)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(shè)計(jì)建造模式無(wú)論在國(guó)內(nèi)還是國(guó)際上，都還沒(méi)形成可嚴(yán)格執(zhí)行的相關(guān)行業(yè)規(guī)范，實(shí)踐中打印各方責(zé)任不清晰、缺少成熟的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。考慮到目前建筑3D打印技術(shù)尚不成熟，規(guī)范還未成型，打印的建筑物還不能達(dá)到我國(guó)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求，因此未來(lái)短期內(nèi)3D打印應(yīng)避開(kāi)現(xiàn)行規(guī)范強(qiáng)制滿足要求的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，轉(zhuǎn)而從城市公共設(shè)施，如公交車(chē)站、污水處理池、風(fēng)景園林裝飾構(gòu)件、臨時(shí)構(gòu)筑物(如擋土墻)等入手(見(jiàn)圖2，3)。通過(guò)政府、環(huán)保部門(mén)或其他非營(yíng)利組織的配合與資金投入，打印一批成本相對(duì)較低、結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境和社會(huì)需要的構(gòu)筑物；城市基礎(chǔ)設(shè)施更新、歷史古建筑修繕保護(hù)等也可利用3D打印技術(shù)，突出3D打印自由建造、因地制宜、節(jié)約成本的優(yōu)勢(shì)。

圖2 3D打印污水井、車(chē)站

建筑3D打印在建造異形構(gòu)件、異形建筑等特殊造型方面具有優(yōu)勢(shì)，既節(jié)省傳統(tǒng)施工對(duì)模板的依賴，提高經(jīng)濟(jì)性，也可加快建造速度、節(jié)約材料，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)建筑的藝術(shù)性，具有廣闊的發(fā)展前景。3D打印對(duì)建造應(yīng)急性、臨時(shí)性的建筑物具有優(yōu)勢(shì)。一旦發(fā)生地震等災(zāi)害，可利用3D打印技術(shù)為災(zāi)民建造臨時(shí)住所，加快災(zāi)后重建。我國(guó)很大一部分農(nóng)村自建房屬于無(wú)設(shè)計(jì)圖紙、無(wú)施工資質(zhì)、無(wú)施工監(jiān)管的產(chǎn)品，3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到施工全過(guò)程采用工業(yè)化設(shè)備，有效減少項(xiàng)目管理人員及對(duì)建筑工人的過(guò)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(zhì)，同時(shí)，順應(yīng)逆城鎮(zhèn)化潮流，改變農(nóng)村單一不變的建筑結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化訂制。面對(duì)突發(fā)疫情等緊急公共衛(wèi)生事件，建筑3D打印技術(shù)能提高建造效率、簡(jiǎn)化建造工序、降低勞動(dòng)人員密度，短時(shí)間內(nèi)提供大量的防疫建筑，減少人員聚集(見(jiàn)圖4)。在面對(duì)高溫、嚴(yán)寒等特殊天氣及災(zāi)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(shè)備等，施工難度高、施工成本大、施工效率低，建筑3D打印技術(shù)可彌補(bǔ)傳統(tǒng)施工方法的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)又好又快的建造。

圖4 3D打印檢疫房、隔離屋

3 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)外已存在3D打印建造并投入使用的構(gòu)筑物，但3D打印的建筑物很難走向市場(chǎng)化，最大原因在于質(zhì)量。建筑3D打印在實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化、工業(yè)化、智能化的過(guò)程中，打印技術(shù)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、市場(chǎng)行為、國(guó)家政策間并非獨(dú)立，相互間存在協(xié)同效應(yīng)。建筑3D打印相關(guān)設(shè)計(jì)驗(yàn)收規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)緩慢，導(dǎo)致研究成果難以大范圍應(yīng)用，抑制建筑3D打印市場(chǎng)化進(jìn)程；由于無(wú)法廣泛市場(chǎng)化使用，建筑3D打印技術(shù)各研究環(huán)節(jié)缺少實(shí)踐檢驗(yàn)，阻礙相關(guān)規(guī)范的建設(shè)；市場(chǎng)化程度低、知識(shí)產(chǎn)權(quán)對(duì)研究成果保護(hù)不夠?qū)е孪嚓P(guān)資金投入不足，技術(shù)研究速度變緩，難以實(shí)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(diǎn)，針對(duì)具體應(yīng)用提出相應(yīng)的方案優(yōu)選，能加快建筑3D打印的市場(chǎng)化、工業(yè)化、智能化。由于國(guó)家政策扶持，建筑3D打印技術(shù)已經(jīng)取得一定進(jìn)步，獲得較高的社會(huì)關(guān)注，在此基礎(chǔ)上，提高研發(fā)和打印實(shí)踐的公開(kāi)化程度，在政府引導(dǎo)下提升行業(yè)規(guī)范的建設(shè)，聯(lián)動(dòng)打印設(shè)計(jì)、設(shè)備、材料相關(guān)上下游行業(yè)和社會(huì)團(tuán)體，以非營(yíng)利性質(zhì)的公共設(shè)施、環(huán)保公益設(shè)施等為出發(fā)點(diǎn)，整合社會(huì)資源，由具有學(xué)科優(yōu)勢(shì)的高校、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的企業(yè)牽頭，打印高質(zhì)量的構(gòu)筑物，提高社會(huì)責(zé)任感與公眾信任感，再結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)3D打印技術(shù)的發(fā)展，使之不斷成熟，真正走向市場(chǎng)。

通過(guò)對(duì)建筑3D打印的梳理，總結(jié)能夠發(fā)揮建筑3D打印優(yōu)勢(shì)的使用場(chǎng)景：①逆城鎮(zhèn)化下的新農(nóng)村建設(shè)；②極端天氣、極端環(huán)境下的施工；③城市公共設(shè)施；④異形構(gòu)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(yīng)急建筑、災(zāi)后臨時(shí)構(gòu)筑物等。可根據(jù)這些應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)建筑3D打印應(yīng)用進(jìn)行自上而下的研究，分析3D打印應(yīng)選用的材料特性、施工工法、機(jī)械設(shè)備、軟件系統(tǒng)等。