20世紀80年代，隨著傳統(tǒng)建筑施工過程中資源消耗高、危險系數(shù)高，以及生產(chǎn)效率低等問題的日益加重，遵循綠色環(huán)保、文明施工、勞動強度降低等理念的3D打印技術(shù)應(yīng)運而生。如今，混凝土3D領(lǐng)域的研究團隊越來越多，研究內(nèi)容、范圍也是越來越寬越深，中國、德國、荷蘭、美國、英國、丹麥等很多國家都已經(jīng)有了實際完成的3D打印工程項目。

當前，混凝土3D打印技術(shù)發(fā)展是否一帆風順？主要面臨哪些挑戰(zhàn)？要想實現(xiàn)跨越發(fā)展還需做哪些工作？未來發(fā)展方向是什么？帶著這些問題，本報記者采訪了東南大學材料科學與工程學院教授、南京綠色增材智造研究院院長張亞梅。

不斷取得突破進展

“當前，各國混凝土3D打印項目涉及1～2層房屋、小型橋梁、風電塔基、景觀小品等。其中，美國的3D打印房屋已經(jīng)商品化出售。這些已經(jīng)完成的項目中，有的采用的是現(xiàn)場打印，有的是工廠打印、現(xiàn)場裝配的技術(shù)?！闭劦疆斍靶袠I(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，張亞梅指出，近年來混凝土3D打印取得的主要進展體現(xiàn)在設(shè)計與應(yīng)用、裝備、材料研發(fā)、配筋技術(shù)和標準等方面。

一是設(shè)計和應(yīng)用。國內(nèi)外都出現(xiàn)了一些優(yōu)秀的設(shè)計團隊，針對3D打印工藝設(shè)計了一些造型優(yōu)美的建筑和橋梁等，比如：迪拜的市政廳樓、丹麥的Holstebro單層房屋、德國的Bechkum House、意大利威尼斯的Striatus步行橋、我國南京江北市民廣場接待中心、河北武家莊農(nóng)宅等。

二是裝備。過去幾年來，已經(jīng)開發(fā)成功了工業(yè)化應(yīng)用規(guī)模的打印機，包括機械臂式的機器人打印機、大型桁架式現(xiàn)場打印機等。這兩種代表性的打印系統(tǒng)均已經(jīng)在現(xiàn)場打印中得到了應(yīng)用驗證，并且實現(xiàn)了現(xiàn)場連續(xù)泵送打印施工。

三是混凝土材料。在實驗室層面，已經(jīng)研發(fā)了多種可打印的混凝土材料，包括可打印砂漿和含有粗骨料的混凝土。但在實際工程的打印中，絕大多數(shù)項目都是采用了砂漿進行打印。從技術(shù)上來說，打印砂漿相對容易，而打印含有粗骨料的混凝土技術(shù)難度較大，特別是現(xiàn)場連續(xù)泵送打印的難度更大；另一方面，打印砂漿的表觀質(zhì)量比打印含有粗骨料的混凝土細膩，更容易被用戶接受。但從結(jié)構(gòu)混凝土抗裂性要求來說，含有粗骨料的混凝土開裂風險小，材料成本也更低。

四是配筋技術(shù)。實驗室層面，不少團隊都提出了不同的3D打印混凝土增強技術(shù)，包括纖維增強、連續(xù)鋼絲增強、豎向插筋增強、纖維布增強等。但這些增強技術(shù)距離傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對配筋的要求還差得很遠，尚不能完全滿足結(jié)構(gòu)增強的要求，而且這些技術(shù)多停留在實驗室研究階段，尚不能用于實際工程。

五是標準。我國在混凝土3D打印建造相關(guān)的標準制定方面走在國際同行的前面。我國目前已經(jīng)制定了材料、測試方法、產(chǎn)品等相關(guān)的部分標準，還有不少標準，比如打印設(shè)備、打印構(gòu)件、打印建筑技術(shù)標準等都已經(jīng)立項在編制中。

仍然存在制約因素

盡管相對于傳統(tǒng)的立模澆筑施工工藝，混凝土3D打印具有節(jié)省模板材料、建筑師可以有很大的設(shè)計自由度、生產(chǎn)自動化對工人的依賴少效率高等突出的優(yōu)勢，但其發(fā)展并非一帆風順。

混凝土3D打印建筑 南京綠色增材智造研究院/供圖

  

張亞梅表示，雖然近年來全球范圍內(nèi)對3D打印建造技術(shù)的關(guān)注度很高，研究和應(yīng)用都取得了不錯的進展，但是3D打印建造技術(shù)的發(fā)展還存在不少問題亟待解決。

一是作為新興的技術(shù)，行業(yè)對該技術(shù)雖然興趣很高，但對3D打印技術(shù)的認知總體上還比較缺乏，特別是對3D打印工藝和特點缺乏深入的了解；此外，針對3D打印工藝的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計少，范例少，大范圍推廣尚有難度。

二是當前缺乏適用于3D打印工藝的建筑結(jié)構(gòu)體系。由于特殊的層層打印工藝特點，現(xiàn)場打印或者是現(xiàn)場裝配都會面臨結(jié)構(gòu)構(gòu)件如梁、板、柱的問題。由于結(jié)構(gòu)承載力和抗震需要，混凝土結(jié)構(gòu)中通常都需要配增強鋼筋，而現(xiàn)有的3D打印技術(shù)如何和鋼筋特別是豎向鋼筋的配置協(xié)同仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，尚未有很好的方式來解決。

三是戶外的大型建筑打印及極端環(huán)境下的打印技術(shù)有待突破?，F(xiàn)有的打印主要還是1~2層建筑的打印。未來如果要打印更大規(guī)模的房屋，特別是打印高度上有所突破，還面臨很多新的問題，比如大型的可移動打印機、能夠搭載大型打印機的平臺、高層打印建筑的結(jié)構(gòu)性能等。此外，在戶外的極端環(huán)境下的打印也非常具有挑戰(zhàn)性，比如高溫下的打印、低溫下的打印、低真空下的打印等，以及復(fù)雜地形條件下的打印系統(tǒng)和打印等。

四是在大規(guī)模推廣應(yīng)用方面，目前還缺乏與3D打印相關(guān)的一系列標準。沒有標準作為依據(jù)，設(shè)計、施工、驗收等各個環(huán)節(jié)都會遇到很多問題。

需不同學科交叉合作

“3D打印建造是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括設(shè)備系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、混凝土材料、打印、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工、驗收交付等。3D打印建造技術(shù)向前的推進，缺少了任何一個環(huán)節(jié)都不行，因此需要學科之間、學界與業(yè)界之間的通力合作?！睆垇喢氛J為，3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的建造技術(shù)不同，各個環(huán)節(jié)的技術(shù)要求更高，從設(shè)備、軟件到材料、打印、結(jié)構(gòu)性能等方面都需要有基礎(chǔ)研究來支撐其應(yīng)用。但從實驗室研究到實際的應(yīng)用，不是實驗室研究結(jié)果的簡單放大，而是在實際應(yīng)用中需要解決更多更復(fù)雜的問題，比如現(xiàn)場連續(xù)泵送打印時，環(huán)境條件、泵送壓力和距離等都和實驗室大不相同。因此，學界和業(yè)界要通力合作，學界的基礎(chǔ)研究要以應(yīng)用為目標，針對應(yīng)用場景開展基礎(chǔ)研究；業(yè)界也要依靠學界來解決實際應(yīng)用中遇到的基礎(chǔ)性的技術(shù)難題。

針對如何實現(xiàn)不同學科之間的交叉與合作、學界與工業(yè)界的通力合作，張亞梅指出，促進合作的舉措可以是多方位的：一是學科交叉。目前國內(nèi)外做得比較成功的隊伍都是由不同的學科人員組成的團隊。有些從事3D打印建造研究的人員自發(fā)地組建了一個多學科人員組成的團隊，也有些單位在做好頂層設(shè)計后，成立了專門的研發(fā)平臺。平臺越大，人員學科組成越全，就越能做出大的成果，更快地推動3D打印建造技術(shù)的發(fā)展。

二是學界與業(yè)界的合作。這方面途徑比較多，最重要的是行業(yè)協(xié)會、政府機構(gòu)或部門可以通過政策引導(dǎo)、鼓勵產(chǎn)學研合作。比如，南京的新型研發(fā)機構(gòu)就是一種很好的嘗試。這主要得益于東南大學的團隊和南京嘉翼及江北研創(chuàng)園共同成立的研究院這個新型研發(fā)機構(gòu)，將研究與應(yīng)用很好地結(jié)合，才能將3D打印技術(shù)在全國多個城市得到示范應(yīng)用。

創(chuàng)新是低碳發(fā)展的關(guān)鍵

創(chuàng)新是一個行業(yè)發(fā)展的根本。談到3D打印下一步的發(fā)展方向，張亞梅認為，3D打印建造技術(shù)的發(fā)展，需要整個產(chǎn)業(yè)鏈上各個環(huán)節(jié)的創(chuàng)新和協(xié)同發(fā)展。

對此，張亞梅建議要重點關(guān)注裝備的模塊化、大型化、可移動式發(fā)展；適應(yīng)不同環(huán)境和打印系統(tǒng)的打印材料的多樣化、高性能化、低碳化發(fā)展；拓撲優(yōu)化與3D打印技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生新型的結(jié)構(gòu)體系；從設(shè)備到材料、設(shè)計、打印、建造、驗收等的標準體系的建立；建造形式上，3D打印裝配式建造和現(xiàn)場打印建造同步發(fā)展五個方面。

近年來，隨著“雙碳”目標的提出，國家對于建材行業(yè)如何低碳發(fā)展格外重視。在消納固廢方面，張亞梅提出，3D打印和傳統(tǒng)混凝土技術(shù)沒有太多的區(qū)別。實際上，3D打印技術(shù)對混凝土原材料的要求更高。固廢在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用，不僅要關(guān)注混凝土的打印性，更要關(guān)注其硬化后的性能，包括變形、開裂、耐久性等。固廢在3D打印混凝土的應(yīng)用本身是提升了材料層面的低碳性，但如果因為應(yīng)用不當帶來使用性能差等問題，從全生命周期來說，反而是不低碳的。在固廢對3D打印混凝土的長期性能影響不明確的情況下，建議可以用在非結(jié)構(gòu)工程，而對于固廢在結(jié)構(gòu)等重要工程的應(yīng)用，應(yīng)該要在充分的科學研究基礎(chǔ)上慎重使用，確保3D打印結(jié)構(gòu)使用的安全性和長期耐久性。

本文原載于《中國建材報》8月29日6版

中國建材報記者：吳躍

20世紀80年代，隨著傳統(tǒng)建筑施工過程中資源消耗高、危險系數(shù)高，以及生產(chǎn)效率低等問題的日益加重，遵循綠色環(huán)保、文明施工、勞動強度降低等理念的3D打印技術(shù)應(yīng)運而生。如今，混凝土3D領(lǐng)域的研究團隊越來越多，研究內(nèi)容、范圍也是越來越寬越深，中國、德國、荷蘭、美國、英國、丹麥等很多國家都已經(jīng)有了實際完成的3D打印工程項目。

當前，混凝土3D打印技術(shù)發(fā)展是否一帆風順？主要面臨哪些挑戰(zhàn)？要想實現(xiàn)跨越發(fā)展還需做哪些工作？未來發(fā)展方向是什么？帶著這些問題，本報記者采訪了東南大學材料科學與工程學院教授、南京綠色增材智造研究院院長張亞梅。

不斷取得突破進展

“當前，各國混凝土3D打印項目涉及1～2層房屋、小型橋梁、風電塔基、景觀小品等。其中，美國的3D打印房屋已經(jīng)商品化出售。這些已經(jīng)完成的項目中，有的采用的是現(xiàn)場打印，有的是工廠打印、現(xiàn)場裝配的技術(shù)?！闭劦疆斍靶袠I(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，張亞梅指出，近年來混凝土3D打印取得的主要進展體現(xiàn)在設(shè)計與應(yīng)用、裝備、材料研發(fā)、配筋技術(shù)和標準等方面。

一是設(shè)計和應(yīng)用。國內(nèi)外都出現(xiàn)了一些優(yōu)秀的設(shè)計團隊，針對3D打印工藝設(shè)計了一些造型優(yōu)美的建筑和橋梁等，比如：迪拜的市政廳樓、丹麥的Holstebro單層房屋、德國的Bechkum House、意大利威尼斯的Striatus步行橋、我國南京江北市民廣場接待中心、河北武家莊農(nóng)宅等。

二是裝備。過去幾年來，已經(jīng)開發(fā)成功了工業(yè)化應(yīng)用規(guī)模的打印機，包括機械臂式的機器人打印機、大型桁架式現(xiàn)場打印機等。這兩種代表性的打印系統(tǒng)均已經(jīng)在現(xiàn)場打印中得到了應(yīng)用驗證，并且實現(xiàn)了現(xiàn)場連續(xù)泵送打印施工。

三是混凝土材料。在實驗室層面，已經(jīng)研發(fā)了多種可打印的混凝土材料，包括可打印砂漿和含有粗骨料的混凝土。但在實際工程的打印中，絕大多數(shù)項目都是采用了砂漿進行打印。從技術(shù)上來說，打印砂漿相對容易，而打印含有粗骨料的混凝土技術(shù)難度較大，特別是現(xiàn)場連續(xù)泵送打印的難度更大；另一方面，打印砂漿的表觀質(zhì)量比打印含有粗骨料的混凝土細膩，更容易被用戶接受。但從結(jié)構(gòu)混凝土抗裂性要求來說，含有粗骨料的混凝土開裂風險小，材料成本也更低。

四是配筋技術(shù)。實驗室層面，不少團隊都提出了不同的3D打印混凝土增強技術(shù)，包括纖維增強、連續(xù)鋼絲增強、豎向插筋增強、纖維布增強等。但這些增強技術(shù)距離傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對配筋的要求還差得很遠，尚不能完全滿足結(jié)構(gòu)增強的要求，而且這些技術(shù)多停留在實驗室研究階段，尚不能用于實際工程。

五是標準。我國在混凝土3D打印建造相關(guān)的標準制定方面走在國際同行的前面。我國目前已經(jīng)制定了材料、測試方法、產(chǎn)品等相關(guān)的部分標準，還有不少標準，比如打印設(shè)備、打印構(gòu)件、打印建筑技術(shù)標準等都已經(jīng)立項在編制中。

仍然存在制約因素

盡管相對于傳統(tǒng)的立模澆筑施工工藝，混凝土3D打印具有節(jié)省模板材料、建筑師可以有很大的設(shè)計自由度、生產(chǎn)自動化對工人的依賴少效率高等突出的優(yōu)勢，但其發(fā)展并非一帆風順。

混凝土3D打印建筑 南京綠色增材智造研究院/供圖

  

張亞梅表示，雖然近年來全球范圍內(nèi)對3D打印建造技術(shù)的關(guān)注度很高，研究和應(yīng)用都取得了不錯的進展，但是3D打印建造技術(shù)的發(fā)展還存在不少問題亟待解決。

一是作為新興的技術(shù)，行業(yè)對該技術(shù)雖然興趣很高，但對3D打印技術(shù)的認知總體上還比較缺乏，特別是對3D打印工藝和特點缺乏深入的了解；此外，針對3D打印工藝的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計少，范例少，大范圍推廣尚有難度。

二是當前缺乏適用于3D打印工藝的建筑結(jié)構(gòu)體系。由于特殊的層層打印工藝特點，現(xiàn)場打印或者是現(xiàn)場裝配都會面臨結(jié)構(gòu)構(gòu)件如梁、板、柱的問題。由于結(jié)構(gòu)承載力和抗震需要，混凝土結(jié)構(gòu)中通常都需要配增強鋼筋，而現(xiàn)有的3D打印技術(shù)如何和鋼筋特別是豎向鋼筋的配置協(xié)同仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)，尚未有很好的方式來解決。

三是戶外的大型建筑打印及極端環(huán)境下的打印技術(shù)有待突破?，F(xiàn)有的打印主要還是1~2層建筑的打印。未來如果要打印更大規(guī)模的房屋，特別是打印高度上有所突破，還面臨很多新的問題，比如大型的可移動打印機、能夠搭載大型打印機的平臺、高層打印建筑的結(jié)構(gòu)性能等。此外，在戶外的極端環(huán)境下的打印也非常具有挑戰(zhàn)性，比如高溫下的打印、低溫下的打印、低真空下的打印等，以及復(fù)雜地形條件下的打印系統(tǒng)和打印等。

四是在大規(guī)模推廣應(yīng)用方面，目前還缺乏與3D打印相關(guān)的一系列標準。沒有標準作為依據(jù)，設(shè)計、施工、驗收等各個環(huán)節(jié)都會遇到很多問題。

需不同學科交叉合作

“3D打印建造是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括設(shè)備系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、混凝土材料、打印、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工、驗收交付等。3D打印建造技術(shù)向前的推進，缺少了任何一個環(huán)節(jié)都不行，因此需要學科之間、學界與業(yè)界之間的通力合作?！睆垇喢氛J為，3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的建造技術(shù)不同，各個環(huán)節(jié)的技術(shù)要求更高，從設(shè)備、軟件到材料、打印、結(jié)構(gòu)性能等方面都需要有基礎(chǔ)研究來支撐其應(yīng)用。但從實驗室研究到實際的應(yīng)用，不是實驗室研究結(jié)果的簡單放大，而是在實際應(yīng)用中需要解決更多更復(fù)雜的問題，比如現(xiàn)場連續(xù)泵送打印時，環(huán)境條件、泵送壓力和距離等都和實驗室大不相同。因此，學界和業(yè)界要通力合作，學界的基礎(chǔ)研究要以應(yīng)用為目標，針對應(yīng)用場景開展基礎(chǔ)研究；業(yè)界也要依靠學界來解決實際應(yīng)用中遇到的基礎(chǔ)性的技術(shù)難題。

針對如何實現(xiàn)不同學科之間的交叉與合作、學界與工業(yè)界的通力合作，張亞梅指出，促進合作的舉措可以是多方位的：一是學科交叉。目前國內(nèi)外做得比較成功的隊伍都是由不同的學科人員組成的團隊。有些從事3D打印建造研究的人員自發(fā)地組建了一個多學科人員組成的團隊，也有些單位在做好頂層設(shè)計后，成立了專門的研發(fā)平臺。平臺越大，人員學科組成越全，就越能做出大的成果，更快地推動3D打印建造技術(shù)的發(fā)展。

二是學界與業(yè)界的合作。這方面途徑比較多，最重要的是行業(yè)協(xié)會、政府機構(gòu)或部門可以通過政策引導(dǎo)、鼓勵產(chǎn)學研合作。比如，南京的新型研發(fā)機構(gòu)就是一種很好的嘗試。這主要得益于東南大學的團隊和南京嘉翼及江北研創(chuàng)園共同成立的研究院這個新型研發(fā)機構(gòu)，將研究與應(yīng)用很好地結(jié)合，才能將3D打印技術(shù)在全國多個城市得到示范應(yīng)用。

創(chuàng)新是低碳發(fā)展的關(guān)鍵

創(chuàng)新是一個行業(yè)發(fā)展的根本。談到3D打印下一步的發(fā)展方向，張亞梅認為，3D打印建造技術(shù)的發(fā)展，需要整個產(chǎn)業(yè)鏈上各個環(huán)節(jié)的創(chuàng)新和協(xié)同發(fā)展。

對此，張亞梅建議要重點關(guān)注裝備的模塊化、大型化、可移動式發(fā)展；適應(yīng)不同環(huán)境和打印系統(tǒng)的打印材料的多樣化、高性能化、低碳化發(fā)展；拓撲優(yōu)化與3D打印技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生新型的結(jié)構(gòu)體系；從設(shè)備到材料、設(shè)計、打印、建造、驗收等的標準體系的建立；建造形式上，3D打印裝配式建造和現(xiàn)場打印建造同步發(fā)展五個方面。

近年來，隨著“雙碳”目標的提出，國家對于建材行業(yè)如何低碳發(fā)展格外重視。在消納固廢方面，張亞梅提出，3D打印和傳統(tǒng)混凝土技術(shù)沒有太多的區(qū)別。實際上，3D打印技術(shù)對混凝土原材料的要求更高。固廢在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用，不僅要關(guān)注混凝土的打印性，更要關(guān)注其硬化后的性能，包括變形、開裂、耐久性等。固廢在3D打印混凝土的應(yīng)用本身是提升了材料層面的低碳性，但如果因為應(yīng)用不當帶來使用性能差等問題，從全生命周期來說，反而是不低碳的。在固廢對3D打印混凝土的長期性能影響不明確的情況下，建議可以用在非結(jié)構(gòu)工程，而對于固廢在結(jié)構(gòu)等重要工程的應(yīng)用，應(yīng)該要在充分的科學研究基礎(chǔ)上慎重使用，確保3D打印結(jié)構(gòu)使用的安全性和長期耐久性。

本文原載于《中國建材報》8月29日6版

中國建材報記者：吳躍