3D打印为建筑业转型发展提供了新契机-上海建工集团
近日，第十七届土木、结构和环境工程计算国际会议（Civil-Comp 2023）在匈牙利召开。上海建工集团工程研究总院数字化建造研究室主任左自波，受邀在会上作题为《大尺度3D打印建筑（Large-scale 3D printing of buildings）》的演讲，从战略意义、打印工艺、打印材料、打印装备等方面分享了建筑3D打印关键技术，并以国内首个现场3D打印可居住可交付两层建筑为案例介绍了3D打印自动化建造工程应用技术。
以下是左自波演讲的主要内容。
智能建造探索之路
根据国家工信部定义，3D打印（或增材制造）是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的颠覆性技术，将对传统的工艺流程、生产线、工厂模式和产业链产生重大的影响。3D打印在建筑业的应用将引发行业发展理念和模式发生重大而深刻的变革。
上海建工集团总工程师陈晓明说“在智能建造探索之路上，大尺寸3D打印建造是上海建工优先发展的技术方向”。
1 当前建筑业的形势和发展趋势
建筑业依然是国民经济的支柱产业，在国家建设中发挥了极其重要作用。但是，随着我国人口、经济结构和城镇化的发展，建筑业的发展速度不得不由高速发展回归于理性、趋于平稳良性发展，建筑业发展模式不得不由传统粗放模式转向高质量转型发展。
为加快推动建筑业转型升级、促进建筑业高质量发展，2020年7月，国家住建部等13个部门联合印发了《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，2022年10月，住建部选定24个城市开展智能建造试点，把智能建造的需求推向了新的高度。
2 发展3D打印的战略意义
3D打印作为智能建造的重要方向之一，是促进建筑业转型升级、实现高质量发展的一种重要手段，是追求舒适工作环境的必然选择。3D打印的出现，为建筑业的转型发展提供了新的契机。发展3D打印是拥抱新一代信息化技术、顺应国际潮流提升我国建筑业国际竞争力的必然之举。近年来国内外发布了《德国工业4.0计划》《中国制造2025》《先进制造业美国领导力战略》等纲领性文件都把3D打印技术作为本国优先发展的国家战略，美国、中国将一些3D打印列为限制性出口技术。
在经济新常态下建筑业亟需快速调整战略规划、寻找新的核心技术作为行业发展的新增长点，3D打印等新兴技术有望引领建筑业全面转型升级的前沿赛道，市场巨大。3D打印还能够改变工程建造的产业链，与其他产业融通发展空间广阔。
3 为什么选择3D打印
建筑3D打印是从1:1模型到装备、可以无人干预的自动加工建筑产品的颠覆性技术。
3D打印原理
当前阶段无论是3D打印还是机器人，建筑行业人力成本远远低于机器的综合成本，当未来人力成本高于机器的综合成本，行业将没有选择、不得不使用这些自动化技术。
人力成本高于机器的综合成本时不得不选择3D打印等
2014年，3D打印一些核心专利到期，自此之后引起各行各业更加广泛关注，得到了快速发展；作为自动化、信息化程度相对不高的建筑行业，更需要拥抱这一类技术。
3D打印受到各行各业高度关注
4 建筑3D打印关键技术
3D打印工艺
目前常用的建筑3D打印工艺包括材料挤出、粘合剂喷射、直接能量沉积和熔融沉积（FDM）。材料挤出是指通过3D打印设备的喷嘴选择性地挤出材料；粘合剂喷射是指通过3D打印设备选择性地喷射液体粘合剂和粘结粉末材料；直接能量沉积是指通过3D打印设备聚集热能熔化材料后逐层沉积；熔融沉积是指通过3D打印设备喷头加热熔化材料后挤压堆积凝固成型。
建筑3D打印常用工艺
材料挤出在建筑3D打印工艺应用中占比最高，其次是熔融沉积，最后是粘合剂喷射和直接能量沉积。
3D打印材料
材料挤出所使用的材料有混凝土、泡沫、复合粘土、轻质石材、玄武岩及生物塑料等；熔融沉积所使用的材料为热塑塑料、树脂和工程塑料等聚合物；粘合剂喷射所使用的材料为砂或石等及胶合剂；直接能量沉积所使用的材料为不锈钢。
建筑3D打印材料主要使用混凝土和聚合物，其次是金属和砂及粘合剂。
建筑3D打印常用材料
3D打印装备
建筑3D打印装备根据结构类型划分，常用的类型包括机械臂、龙门式、桁架式和塔式4类。龙门式更适合室内打印，机械臂和桁架式适用于现场或室内打印，塔式更适合现场打印。
建筑3D打印常用装备
5 建筑3D打印发展的技术路线
建筑3D打印发展的技术路线可概括3个阶段：
第1阶段，将3D打印应用于制造模板及节点和异形非承重结构。例如，通过3D打印复杂钢结构节点模具进行铸造，得到钢结构节点，也可直接3D打印钢结构节点；通过3D打印异形结构模板进行浇筑，实现异形结构建造。也可将3D打印直接应用于装饰结构和景观结构等异形非承重结构的建造。
第2阶段，将3D打印应用于3D打印轻质承重结构。竖向功能构件和水平轻质构件，构件打印完成后进行现场装配，完成建（构）筑物的建造。竖向功能构件包括轻质墙体、保温隔热墙体和异形轻质柱等；水平轻质构件包括轻质拓扑优化梁、轻质板等，水平结构打印通常采用打印构件加组装或预应力张拉的方式，金属打印采用一次打印的方式。
第3阶段，将3D打印直接用于异形房屋、异形建（构）筑物的现场或整体打印。依次用于低层、多层、高层和超高层3D打印的建（构）筑物，随着3D打印技术的发展，3D打印将从异形个性化建（构）筑物的建造向通用建（构）筑物的建造发展。
建筑3D打印发展技术路线
6 上海建工对建筑3D打印技术的研究与工程实践
多年来，上海建工集团以及旗下工程研究总院、建材科技集团、机施集团、五建集团、园林集团等依托多项国家级重大科研项目课题，致力于高分子材料及高性能混凝土材料3D打印工艺、装备和材料等方面的深入研究和工程实践。
在科研项目方面，主持完成了国家重点研发计划项目“建筑工程现场工业化建造集成平台与装备关键技术开发（课题6为3D打印）”“面向建筑行业典型应用的机器人关键技术与系统（课题3为3D打印）”“城镇建筑垃圾智能精细分选与升级利用技术（课题3涉及3D打印）”和上海市科研项目“建筑工程现场3D打印建造关键技术研究”等研发，多项成果达到国际先进水平。
在3D打印装备方面，研发出超大型高分子材料3D打印装备（25米×4米×2.5米）和大型混凝土3D打印移动平台（6米×2.4米×2.6米）。
在3D打印工艺方面，创新研发了适合建筑工程现场3D打印建造的工艺；首创研发了框架+砖混+叠合板3D打印建筑结构及工艺，解决自由化设计和交付使用难题；研发了超大尺度3D打印成型成套工艺。
在3D打印材料方面，研发了高分子材料制备及自动化输送技术，研发出高性能混凝土3D打印材料及输送技术。
在3D打印重大工程方面，牵头完成了中国首座高分子3D打印桥普陀桥（15m）、泉州3D打印桥（17.5m）、世界上最长3D打印桥成都桥（3D打印部分长21.58m）、中国首个现场3D打印可交付二层建筑等工程的建造。
中国首个现场3D打印可交付二层建筑
世界上最长的3D打印桥位于成都驿马河公园内
7 3D打印在建筑工程的应用效果和优势
设计灵活创意增加：几何自由，复杂结构的3D可视化、个性按需定制；
机械化自动化程度高、安全高效：最大限度地改善作业环境，大幅度降低劳动强度，减少高风险、高强度现场作业人员50%以上；
材料效率高：无模板（节约材料30%），实体可优化为空心结构（节约材料50%）；
智能化运维：3D设计模型可直接用于运维，打印嵌入传感，可实现智能化运营维护；
绿色环保：无污染，减少碳排放。
上海建工将继续积极探索新型设计和施工方式，为智能建造和精益建造提供新的范式，促进建筑业转型发展。
来源 l 微信公众号“上海建工”
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