我省3D建筑打印大有可為亟需加快產業(yè)培育

李洪文 國 棟 王 菲

(山東省工業(yè)和信息化研究院，山東 濟南 250000)

1 產業(yè)發(fā)展具備三大優(yōu)勢

1.1 建造速度快，加快施工進度

3D建筑施工主要以打印設備自主工作為主，大幅降低了人力資源的使用和投入，研究表明，3D打印建筑較傳統(tǒng)的施工工藝可縮短約60%的工期，減少約80%的勞動力。由于3D建筑打印不需要模具，整個工序具有一體化的特點，大大簡化了施工環(huán)節(jié)，大幅提高了施工效率。

1.2 設計自由度高，有效降低施工難度

3D建筑打印的一大優(yōu)勢就是大大提升了建筑設計的自由度，能夠完成傳統(tǒng)建造方式不能實現(xiàn)的特殊建筑構件和產品，進而大幅降低了建筑施工的難度。

1.3 減少建筑垃圾和碳排放，提升施工的環(huán)保性

傳統(tǒng)施工結束后會產生大量建筑垃圾和未得到有效利用的建材資源，3D建筑打印由于采用增材制造工藝，僅消耗預先配置的混凝土油墨，同時相當一部分油墨來自于廢棄的固體建筑垃圾，從而達到資源循環(huán)利用和保護環(huán)境的目的。同時3D打印施工也會大幅減少傳統(tǒng)施工出現(xiàn)的粉塵和建筑垃圾，有效減少建材、模板及機械設備的使用，提升施工環(huán)保性的同時有力減少碳排放。

2 產業(yè)發(fā)展面臨三大機遇

2.1 契合新發(fā)展理念，獲政策大力支持

3D建筑打印是有效應對建筑施工現(xiàn)場揚塵多、水泥等建材生產碳排放強度大、具備低碳環(huán)保綠色優(yōu)勢的建造方式。住建部、發(fā)改委等部門于2020年7月發(fā)布的《綠色建筑創(chuàng)建行動方案》，在綠色建筑設計標準、綠色建材使用及驗收標準等方面提出了明確的標準要求；住建部于2021年印發(fā)的《綠色建造技術導則(試行)》，更是將綠色發(fā)展理念全程嵌入工程策劃、設計、施工的全流程。

2.2 技術進步有力助推行業(yè)發(fā)展

3D建筑打印與BIM技術的結合，已成為建筑產業(yè)發(fā)展的重要組成戰(zhàn)略，在設計領域產生了基于BIM的設計，在智能制造領域興起了以BIM技術為基礎的部品深化設計等熱點，在智慧施工領域誕生了智慧工地、建筑機器人和造樓機等新穎熱點。省內看，濟南大學在3D建筑打印用混凝土方面的研究取得豐碩成果；齊魯工業(yè)大學專注于3D建筑打印設備的研究，在基于DMC運動控制卡的水泥3D打印設備和基于水泥構件的3D打印控制系統(tǒng)的分析與設計方面開展了深入研究。

2.3 勞動力成本上漲，資源短缺日益突出

研究顯示，2015—2019年在我國民工從事建筑業(yè)的占比分別為21.1%、19.7%、18.9%、18.6%、18.7%，呈持續(xù)下降走勢，同時從事建筑業(yè)的勞動年齡人口結構不斷升高，加之勞動力用工成本的不斷攀升，傳統(tǒng)建筑行業(yè)的發(fā)展遇到越來越多的阻礙。3D建筑打印所需勞動力很少，無疑解除了建筑業(yè)用工難的后顧之憂，從而為3D建筑打印行業(yè)的發(fā)展增添了力量。

3 產業(yè)發(fā)展面臨三大挑戰(zhàn)

3.1 缺少針對性工程應用研究

我省針對3D建筑打印方面的研究仍然零星分布在打印材料、工藝、設備等方面，打印成果缺少從實際工程應用場景出發(fā)的針對性的研究，很多研究和成果僅僅停留在實驗室階段，成果的落地性欠缺，使得理論研究與市場應用存在脫節(jié)，研究成果有所折扣。

3.2 3D建筑打印各環(huán)節(jié)研究欠缺協(xié)同性，產學研用一體化緊密型不強

產業(yè)目前還是局限在各自領域上搞單兵出擊，缺少上下游、不同環(huán)節(jié)之間的協(xié)同和配合，高校、企業(yè)和科研團隊之間信息不對稱和交流不暢的情況也存在，這就導致3D建筑打印的研究自成一體，阻礙了技術的整合和總體發(fā)展。

3.3 技術儲備不足，行業(yè)標準和規(guī)范仍不完善

截止2021年底，我省濟南大學、齊魯工業(yè)大學、青島理工大學等機構共取得7項3D建筑打印方面的發(fā)明專利，從全國來看，僅河北工業(yè)大學一家就取得14項發(fā)明專利，排名前10的專利申請量中無一省內的機構，表明我省在這方面的研究力度和意愿均不強。另外還沒有在國家和行業(yè)層面形成對建筑3D打印材料的性能測試方法及評價體系，省內也未承擔有關標準規(guī)范的編制工作，大大阻礙了該行業(yè)的市場化進程，使得3D建筑打印技術難以吸引社會資本的進入。

4 促進產業(yè)快速健康發(fā)展的幾點建議

4.1 科技助力，突破制約行業(yè)發(fā)展的關鍵技術難題

大力發(fā)展復合型綠色低碳型材料。依托省內濟南大學等研究機構，重點開發(fā)各種高性能、超高性能的特種硫鋁酸鹽3D打印混凝土。積極探索各類纖維材料(金屬纖維、聚合物纖維、玻璃纖維)對高性能3D打印混凝土的增強增韌改性、協(xié)同機理方面的研究。鼓勵水泥企業(yè)、水泥制品企業(yè)大力發(fā)展尾礦、工業(yè)建筑固體廢棄物再生骨料和輔助性膠凝材料加工產業(yè)，開發(fā)可拆卸、可多次重復使用、高性能的結構部件，最大限度降低水泥熟料的利用、提高3D打印混凝土的固廢利用率水平。

集中攻克打印設備研發(fā)課題。大力研發(fā)模塊化、便攜式、可三維拓展、打印精度高的混凝土3D打印裝備，研發(fā)3D打印混凝土構件配筋技術，積極開發(fā)適應不同纖維增強混凝土的擠出打印頭，大力研發(fā)多任務協(xié)調打印以及施工中可智能控制的3D打印建造系統(tǒng)。

積極建設具有國內先進水平的科研基地和技術創(chuàng)新平臺。借助具備科學研究優(yōu)勢的院校和重點實驗室構建一流的基礎科研服務平臺，以企業(yè)為主體打造行業(yè)技術創(chuàng)新平臺，大力研究開發(fā)高強度、高韌度、高抗裂性的3D打印混凝土材料及打印技術，加快培養(yǎng)造就國內著名的打印混凝土材料科研隊伍。

4.2 生態(tài)融合，打造協(xié)同創(chuàng)新的產業(yè)鏈和產業(yè)生態(tài)

鼓勵企業(yè)圍繞產業(yè)鏈、生態(tài)圈開展兼并重組，做大做強。一方面鼓勵省內有代表性、實力強的水泥企業(yè)和水泥制品企業(yè)因地制宜開展商業(yè)模式創(chuàng)新，跨地域跨產業(yè)擴張，不斷延伸并壯大產業(yè)鏈條，積極切入3D打印混凝土業(yè)務，密切與建筑產業(yè)的融合，大力發(fā)展3D建筑打印產業(yè)。另一方面積極引進國內3D建筑打印方面的頭部企業(yè)，加強與盈創(chuàng)科技、華商陸海等企業(yè)的招商合作力度，推動更多盈創(chuàng)夢工廠落地山東，吸引上下游關聯(lián)企業(yè)集群發(fā)展，加快產業(yè)鏈上下游協(xié)同創(chuàng)新，共同培育3D建筑打印產業(yè)。

加快搭建以企業(yè)為主體、市場為導向、產學研用緊密結合的產業(yè)生態(tài)。鼓勵和支持以省內水泥和水泥制品頭部企業(yè)、骨干企業(yè)為支撐，在產業(yè)鏈上建立技術創(chuàng)新平臺，鼓勵開放式協(xié)同式創(chuàng)新。支持頭部企業(yè)和科研院所建設開放型、學科交叉、上下游緊密互動的產學研用協(xié)同創(chuàng)新的新型科研機構和技術創(chuàng)新結合體，不斷提高企業(yè)的技術創(chuàng)新能力和研發(fā)水平。

探索建立行業(yè)新科技產業(yè)投資基金。增強與資本市場的交流合作，在環(huán)保利廢、綠色低碳、高性能材料等前沿新興領域支持新技術和新產業(yè)的發(fā)展，在產業(yè)結構調整方面支持優(yōu)勢企業(yè)聯(lián)合重組，推動高端制造和服務型制造發(fā)展，支持新型科研機構、行業(yè)互聯(lián)網(wǎng)集采平臺、混凝土藝術與文創(chuàng)平臺等新業(yè)態(tài)的創(chuàng)新發(fā)展。

大力推進3D打印建筑產品的應用展示和示范。依托盈創(chuàng)夢工廠山東項目，加快推進3D打印創(chuàng)意創(chuàng)業(yè)園建設，集中展示3D打印涼亭、茶水臺、垃圾分類點、警用執(zhí)勤室、景觀小品及柱體、景觀墻、圍欄、長椅、公園桌椅、花壇花池、景觀燈筒、別墅小院等產品。 以優(yōu)化綠色生態(tài)景觀、健康環(huán)境功能為目標，探索組織召開3D打印生態(tài)混凝土創(chuàng)新創(chuàng)意設計與應用情況大賽。

4.3 數(shù)字賦能，提升產業(yè)的智能制造水平

加快推進生產、運輸、施工過程的數(shù)字化技術研發(fā)。鼓勵企業(yè)作為主體進行產學研聯(lián)合攻關，研發(fā)預拌3D打印混凝土運輸中性能監(jiān)控和調控的信息化技術，實現(xiàn)3D打印混凝土質量“最后一公里”的精準管理。推動研發(fā)預制混凝土設計仿真軟件及混凝土模具，降低鋼質模具的消耗，減少模具材料消耗產生的能耗和碳排放。實現(xiàn)BIM技術和數(shù)字信息技術在預制混凝土行業(yè)中的運用，提高混凝土構件深化設計和企業(yè)精細化管理水平。

全面采用信息技術重構企業(yè)的生產管理體系。積極推動5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合創(chuàng)新發(fā)展，加快提升原材料供應鏈、生產流程管理和應用服務信息化管理水平。構建完善信用質量體系，加快實現(xiàn)生產過程可視化和遠程控制，在存儲和施工管理環(huán)節(jié)融合BIM技術，促進建筑設計、預制3D打印混凝土生產、構件運輸、裝配施工的深度融合。