3D打印是近期最为热点的技术之一,对制造业的发展有颠覆性影响,已经成为众多国家关注的焦点,世界顶尖新闻杂志《经济学人》认为3D打印技术将引发第三次工业革命^[1] 。发达国家对3D打印也非常重视,积极采取措施以推动增材制造技术的发展^[2,3] 。3D打印也引起中国政府的重视,李克强总理指示要重点研究3D打印产业,工信部、科技部、发改委以及省级地方政府相继出台支持3D打印产业的政策和措施^[4] 。

改革开放以来,我国建筑业与其他工业行业一样均实现了巨大进步,现代化水平有了很大提高,但是建筑业仍然没有摆脱劳动密集型产业的基本特征,手工作业多,工业化程度低,劳动强度大,工作条件不好,工程质量和安全事故时有发生等情况依然存在^[5] ;随着我国人口红利的淡出,建筑业的“招工难”、“用工荒”现象时有出现,且显示加剧趋势^[6] 。中国建筑业必须摆脱对传统模式的束缚,向现代化道路转轨^[7] 。因此,建筑业必须通过改造传统作业方式,加快实现绿色化、信息智能化、机械化的步伐,推进国家科技创新战略在建筑行业的真正落实,推动建筑产业的转型升级,促进自身发展^[8,9] 。

众多研究机构和施工企业正在尝试将3D打印技术应用于工程建造领域,我们把应用于建筑领域的3D打印称为3D打印建造。

3D打印建造是以建筑信息模型为基础,运用机电一体化技术将建筑材料(包括混凝土、砌体、金属或塑料等)按既定要求和建造程序自动构建成为预期的实物形态(建筑物、构筑物、空间模型、雕塑或结构、构件和配件)的建造技术。

3D打印建造本质上是综合利用管理、材料、计算机与机械等工程技术的特定组合完成工程建造的技术;通俗地讲,3D打印建造就是用机器人(部分或全部完成)造房子。

3D打印有两个技术特征,是区别于其他技术的重要标志,是3D打印的充分和必要条件:①增材制造思维,完全不同于以往在工业制造采用的减材制造思路;②实现增材制造的技术手段是机械技术、信息技术和自动化技术的有机融合所形成的新型技术。这些技术可以实现增材制造的智能化,不需要人工介入。

建筑工程主体结构的施工,自古以来均是以层层叠加的方式完成的,从砖石结构一砖一瓦的砌筑,到现浇混凝土结构的逐层浇筑,再到预制装配式建筑构件的逐一装配,均体现了增材制造的基本特征,但3D打印建造的核心在于实现增材制造的自动化作业方式。传统施工实现“层层叠加”的增材建造方式主要以人工或者半机械化的方式完成,这种作业方式的特点是劳动强度大、工作条件差,导致现场施工岗位缺乏吸引力、用工短缺、人工成本高等。3D打印建造正是为改变这种以人力为主的施工作业方式所进行的技术研发。

相对于传统的建造工艺,3D打印建造具有如下优势:数字建造———产业升级,降维建造———化繁为简,降序建造———工艺简化,快速建造———提高效率,增材建造———减少浪费,精密建造———提高质量。3D打印建造是建筑领域的工业4.0,3D打印建造所带来的信息化、自动化、高效化的理念与建筑业未来的发展方向契合,一旦得到合理的研发和支持,必将推进建筑业的现代化进程。

3D打印建造已经在世界上引起了广泛关注,研究和工程应用方兴未艾,国内外均已进行许多具有开创意义的探索:美国的“轮廓工艺”^[10,11](混凝土叠布法,见图1)、意大利的“D-shape”^[12](胶材注入法,见图2)、荷兰的“Kamer Maker”(熔积成型法,见图3)^[13]、荷兰的MX3D^[14](金属熔融法,见图4)都是3D打印建造领域涌现出的典型案例。3D打印建造出现“百花齐放、百家争鸣”的良好态势。

当前3D打印建造具有以下特点。

建筑领域普遍应用的建筑材料(混凝土、石膏、钢材、砌块)通过一定的技术改进,均可应用于3D打印建造,同时,也在尝试使用一些新的打印材料(碳纤维、塑料、石膏、生物淀粉等)。

3D打印建造设备为满足各类不同尺度和精度的结构、构件、部件或配件的打印要求,其结构形式主要有桁架式或实腹式,简支支承或悬臂支承,移动式起重机或桥式吊车等,形态各异,功能多样,结构形式差异很大。

根据打印材料的特点,目前已经出现混凝土定量布设法、胶凝材料注入法、激光烧结法、金属熔融法等多种打印方式。

目前,3D打印建造在国内外均处于起步阶段,技术尚不成熟,主要表现为:打印材料存在局限性;建造成本高;打印建造工艺不成熟,有待改进;精度与速度难以兼顾。3D打印建造的典型工程少有真正投入使用的案例,尚未形成针对特定工艺和方法进行系统化的推进条件,因此还需付出更大努力。

实施3D打印建造与具体施工工艺紧密相关,受气候环境影响明显,涉及诸多专业技术协同,是一项技术含量很高的复杂系统工程。因此,必须根据具体情况,选择恰当的技术路线和方法,才能达到预期效果。经大量调查和研究,实施3D打印建造的技术路线可归纳如下(见图5)。

在传统成熟施工工艺的基础上,针对劳动强度大、作业条件差、精度要求高人工难以实现、高空作业安全性难以保证等特殊工艺,用3D打印建造的方法代替人工完成类似工艺施工作业的技术路线。具体应用如砌体类3D打印建造、抹灰机器人、大块板材安装机器人等,均属于此类。

针对3D打印建造特点,在既有工序和材料的基础上,对其进行施工工艺或用材的部分改进,使之更加符合3D打印建造的工艺要求,更为便捷地用3D打印建造的方法完成特定工艺的技术路线。如混凝土叠布法、间接制造法等,均属于此类。

在满足建筑基本功能和质量要求的前提下,突破传统建造方式的束缚,研制或发明更加适合3D打印建造要求的打印材料、设备与施工工艺,探索全新的建造方式。该技术路线涉及建筑材料、施工工艺、打印建造设备、设计标准及其工程质量验收要求的全面改变。因此,这种完全突破传统方式的技术路线研究工作量大,技术难度很高,是对传统技术的全面变革,具有较大发展潜力,也存在较大风险。一旦成功,可能会改变整个产业形态,带来巨大社会和经济效益,如金属熔融法、胶材注入法等,均属于此类。

基于我国已经进入小康社会,人口红利不断减少,独生子女不愿从事建筑行业,劳动力成本不断上升的国情,未来5~10年预期3D打印建造的发展将集中在如下重点领域。

1)劳动强度大的作业工艺和工序。

2)人力成本高的作业工艺和工序。

3)对人体健康有危害的作业工艺。

4)高空、深基坑等安全保障相对薄弱部位的施工工艺。

5)人工难以达到精度要求的施工工艺。

我国正在往标准化设计、工业化生产、装配化施工、一体化装修和信息化管理的方向发展,3D打印建造作为一种建造技术,必然也是沿着这个发展大势前进的。我们预测3D打印建造的发展趋势有以下5点。

3D打印建造技术集管理现代化、智能化、机械化和新型建材开发等多元高新技术于一体,涉及工程各个环节的技术改造,必将提升工程机械化水平,改善建筑产业作业形态,加快建筑产业现代化步伐,对推动建筑业转型升级产生重大影响。

在施工现场直接进行3D打印建造,受到气候、环境和地形等多元因素制约,存在诸多不便;构(配)件工业化生产具有流水线作业、环境可控、质量保证、生产效率高等优势,是3D打印建造的重要发展方向。在设计阶段将建筑分解为若干构件、部件和配件,并将这些数据信息传送到工厂进行3D打印制造,再将这些制造好的成品运到施工现场进行3D打印建造,无疑是一种保质保量的现代化建造方法。

3D打印建造能充分发挥其智慧化、精细化、高效化和云计算的技术特点。3D打印设备对“工作任务”和场地空间具有认知功能,能够轻松完成构(配)件的远程跟踪运输和精确定位,实现施工现场的智慧化安装和管理的“井然有序”。

3D打印建造设备必然是沿着多功能的方向发展。一套打印设备配备不同的机械手,通过不同的机械手完成不同的施工工艺,达到一机多能的目的,既节约设备资源,又节约场地空间及维护成本。

3D打印建造的材料体系标准化(包含规格尺寸、强度体系、耐久性等)、施工工艺标准化、机械装备标准化和质量控制标准化等涉及多专业和多产业的融合,因此推动建筑工程、建筑材料、工程机械和电子信息等多领域的协同合作,是实现3D打印建造的一种必然趋势。

3D打印建造的全面推进,必将带来建造技术的全面变革,彻底改变建筑产业业态,加快我国工程建设的装配化、机械化、智能化和绿色化为特征的建筑产业现代化的发展步伐,是助推我国经济转型升级的重大举措。建议如下。

建议有关部门以3D打印建造为抓手,推动建筑业的转型升级。按照“循序渐进、鼓励创新”的原则,进行3D打印建造的材料、装备、软件、标准、工程应用的全产业链布局,集成和共享技术创新资源,提高资源利用效率,引导3D打印建造健康快速发展,以加快建筑业转型升级步伐。

3D打印建造是一项可以带动巨大产业发展的朝阳产业。国家应通过重点科技立项,支持3D打印建造的基础性和前瞻性研究,引导社会多方力量开展科技联合攻关,加速实现建造、材料、机械、电子和信息技术的融合,加快实现3D打印建造关键技术的突破。

建立3D打印建造的激励机制,对开展3D打印建造技术创新的企业给予一定的政策支持和税收优惠,形成示范带动效应,引导企业成为3D打印建造的创新主体。

鼓励研究机构和企业成立3D打印建造研究中心,采取“走出去、请进来”的方式,加快培育具有国际视野和跨学科的3D打印建造人才梯队,加强国际合作与交流,为实现我国3D打印建造的快速发展奠定组织和人才基础。