建筑3D打印，路在何方

來源：浙江大學啟真新論

建筑業(yè)作為國民經濟的重要支柱產業(yè)，在我國經濟社會發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。然而，隨著經濟環(huán)境變遷、人員老齡化以及行業(yè)競爭的加劇，我國建筑業(yè)正面臨前所未有的挑戰(zhàn)。要推動建筑業(yè)的升級轉型，智能化、綠色化是其重要抓手。隨著人工智能以及相關技術的不斷進步，智能建造將以前所未有的速度重塑行業(yè)格局，推動建筑業(yè)的高質量發(fā)展‌。

作為新一代的建造模式，智能建造在建筑全生命周期中綜合運用信息化、自動化、智能化等新興技術手段，來實現(xiàn)工程安全可靠、品質提升、降本增效與綠色低碳。目前我國正在積極探索可行的智能建造技術，其中增材智能建造結合了增材制造（3D打印）、材料科學和建筑工程技術以及智能化系統(tǒng)，通過數字化、自動化與智能化融合革新傳統(tǒng)建造模式，正逐漸形成一種新質生產力來助力建筑業(yè)的升級轉型。

浙江大學聯(lián)合企業(yè)完成的3D打印非線性商業(yè)建筑

與人行橋 圖源：浙江大學建筑工程學院

增材智能建造進展與當前面臨的主要問題  

增材智能建造無模施工，省去了傳統(tǒng)施工中的模板費用；通過自動化施工、快速成型提升了建造效率；通過精確的材料使用減少材料浪費；通過減少勞動力需求降低人工成本。而且3D打印技術的應用能夠實現(xiàn)傳統(tǒng)方法難以完成的復雜幾何結構，給建筑師提供更多的設計可能性；可根據客戶需求進行高度定制化設計與建造，滿足客戶的個性化需求；能夠實現(xiàn)復雜結構與構件的高精度制造，減少誤差。

目前浙江大學增材智能建造團隊與國內外同行在建筑3D打印材料、設備工藝、控制軟件、數字化設計等方面取得了突破與發(fā)展，在住宅與低層建筑、基礎設施與特殊結構、藝術與定制化建造方面得到了成功應用，這些成功案例不僅展示了該技術的可行性，也為未來的發(fā)展奠定了基礎。

不過，雖然建筑增材智能建造取得了一定的進展，但是仍然面臨著諸多的挑戰(zhàn)和問題：

建筑打印材料的長期性能仍需驗證。材料性能是制約技術發(fā)展的關鍵因素，目前3D打印混凝土材料可以滿足一般環(huán)境下建筑的安全與耐久性要求，但是其長期性能尚未掌握，在極端環(huán)境下的表現(xiàn)有待驗證。

打印速度與打印質量有待提高。打印工藝成熟度和設備性能限制了目前的打印速度，打印精度和表面質量也是一個重要挑戰(zhàn)，特別是在復雜結構的打印過程中存在較多的斷點，且表面質量欠佳。

標準與規(guī)范缺失。建筑3D打印的標準和規(guī)范尚不完善，阻礙了增材智能建造的規(guī)范化發(fā)展。而且，統(tǒng)一的設計與技術標準以及施工規(guī)范的缺乏，使得建筑安全、抗震性能、耐久性能等仍需試驗驗證，增加了工程質量控制與監(jiān)管難度。

工程級大型設備初期投資略高。雖然建筑3D打印的市場規(guī)模很大，但是由于工程級的大型設備初期投資較大、產業(yè)鏈尚不完善，設備成本難以在短期內通過規(guī)�；瘧�用來分攤，導致目前某些場景中的成本略高。

相關專業(yè)人才缺乏。作為一項新興建造技術，建筑3D打印的相關教材與培訓資料缺乏，許多高校和施工企業(yè)沒有相關的知識、技術儲備和專業(yè)試驗、實踐裝備，專業(yè)人員的缺乏極大限制了該技術的推廣應用。

浙江大學聯(lián)合企業(yè)完成的3D打印民居 圖源：人民日報

針對上述這些問題，業(yè)界已在積極應對。在技術層面，采用高性能混凝土和復合材料，來提高打印結構的耐久性能和長期性能；研發(fā)多軸打印技術和智能控制系統(tǒng)來提升打印速度和精度。

在經濟層面，一些設備企業(yè)開始探索新的商業(yè)模式，如打印服務，以降低用戶的使用門檻。

在標準方面，一些國家和地區(qū)已開始制定相關標準和規(guī)范，如美國正在編制3D打印混凝土墻體的技術標準，浙江大學也在主導我國建筑3D打印的設計、抗震與材料標準，為技術應用提供指導。

然而，由于上述這些問題的相互交織，建筑3D打印技術發(fā)展還面臨著一系列困境，尚需要政府、高校、科研機構和技術企業(yè)協(xié)同努力，攻堅克難，來推進此新質生產力的快速發(fā)展。

浙江大學主持的3D打印民居抗震試驗

圖源：人民日報海外版

推進智能建造發(fā)展的策略與建議  

要推動建筑3D打印技術的快速與可持續(xù)發(fā)展，需要在技術、材料、成本控制、政策、人才培養(yǎng)等方面協(xié)同努力，以實現(xiàn)該技術的廣泛應用和健康發(fā)展。

在技術層面，加大研發(fā)投入，鼓勵產學研合作共同推動3D打印技術在建筑領域的創(chuàng)新應用。在建造效率上，可以將3D打印與模塊化建造、預制裝配式技術相結合，來提升工程的施工效率。在打印精度和速度方面，將AI和機器人技術進一步融合，優(yōu)化智能化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)施工過程的自動化監(jiān)控和打印參數的實時調整，并不斷打磨和優(yōu)化打印施工工藝，特別是復雜結構的打印建造工藝。

在設計層面，進一步探索拓撲優(yōu)化、仿生設計和機器學習等方法，提高打印結構的性能和材料利用率；加強打印結構的長期性能研究，建立可靠的打印結構設計理論和方法；通過培訓與交流，促進建筑師和結構師形成新的設計邏輯。

在材料層面，加大對新型、高性能與多功能打印材料的研發(fā)力度；明確材料的力學與長期性能指標，建立材料性能數據庫，為材料選擇和應用提供科學依據；鼓勵材料開發(fā)商、供應商與建筑企業(yè)合作，共同推動打印材料的標準化和產業(yè)化。

在成本控制層面，通過規(guī)�；�生產和技術創(chuàng)新降低設備成本，推廣設備租賃模式，降低企業(yè)初期投入。政府可通過財政補貼和稅收優(yōu)惠，鼓勵企業(yè)采用增材智能建造技術，促進技術的規(guī)�；瘧�用。建立行業(yè)共享平臺，促進相關資源的高效利用。探索并拓展增材智能建造技術的應用場景，特別是其在極端環(huán)境下的應用場景與技術。

在政策層面，加快制定增材智能建造的技術標準和施工規(guī)范，完善相關法律法規(guī)，為建筑3D打印技術應用創(chuàng)造良好環(huán)境。政府部門通過資金支持和政策引導促進技術研發(fā)和推廣，建立第三方認證機構對增材智能建造項目進行質量評估和認證。加強專業(yè)人才培養(yǎng)、公眾教育與國際合作，提高社會對新技術的認知度和接受度。

第四屆3D打印混凝土材料與結構國際會議

在浙江大學舉辦 圖源：浙江大學建筑工程學院

增材智能建造在建筑行業(yè)、特別是一些特定場景中展現(xiàn)出了巨大的潛力，盡管還面臨著技術、人才、成本和法規(guī)等多重挑戰(zhàn)，但是隨著技術進步、標準完善與政策支持，該技術有望在土木工程領域發(fā)揮更大的作用，將推動行業(yè)向高效、智能、可持續(xù)的方向不斷發(fā)展。


作者簡介

孫曉燕：浙江大學建筑工程學院交通工程研究所副教授

王海龍：浙江大學建筑工程學院智能建造與工程管理研究所所長，教授