上海建工左自波：3D打印為建筑業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了新契機

來源：“上海建工”微信公眾號

導讀：近日，第十七屆土木、結(jié)構(gòu)和環(huán)境工程計算國際會議（Civil-Comp 2023）在匈牙利召開。上海建工集團工程研究總院數(shù)字化建造研究室主任左自波，受邀在會上作題為《大尺度3D打印建筑（Large-scale 3D printing of buildings）》的演講，從戰(zhàn)略意義、打印工藝、打印材料、打印裝備等方面分享了建筑3D打印關(guān)鍵技術(shù)，并以國內(nèi)首個現(xiàn)場3D打印可居住可交付兩層建筑為案例介紹了3D打印自動化建造工程應用技術(shù)。

左自波，1986年8月生，上海交通大學船建學院巖土工程碩士、根特大學工程與建筑學院土木工程在讀博士研究生，2013年4月參加工作。現(xiàn)任上海建工集團工程研究總院數(shù)字化建造研究室主任，上海市科技專家?guī)鞂＜遥�上海市增材制造協(xié)會專家委員會專家委員，上海市建筑學會數(shù)字建筑分會委員，同濟大學校外導師，上海理工大學碩士生導師，國際電氣電子工程師學會IEEE會員，JOM等多個SCI期刊審稿人。主持或參與了上海建工3D打印科技試驗樓等30余項工程的建設(shè)或策劃。主持或參與完成國家級及上海市科研項目10余項。曾入選上海市科技啟明星計劃、飛翔計劃。

CIVIL-COMP國際會議致力于推動土木建筑行業(yè)與計算機信息技術(shù)的深度融合，1983年首次召開，40年來已在倫敦、布拉格、愛丁堡、里斯本、馬德拉群島、維也納、那不勒斯、蒙彼利埃、加爾達湖濱、豐沙爾、雅典、羅馬、布達佩斯、魯汶、卡利亞里、哈尼亞、杜布羅夫尼克、阿雅克肖、巴倫西亞、拉斯帕爾馬斯等城市成功舉辦。

本次國際會議由歐洲最古老的大學之一匈牙利佩奇大學（創(chuàng)建于1367年）承辦，會議設(shè)置15個分會場，來自29個國家的近110個學者分享了報告。出席本次會議并發(fā)表演講的中國專家學者還有歐洲科學與藝術(shù)院院士、同濟大學袁勇教授，中國工程院院士、重慶大學楊永斌教授等。

以下是左自波演講的主要內(nèi)容：

大尺度3D打印建筑
根據(jù)國家工信部定義，3D打印（或增材制造）是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將材料逐層堆積制造出實體物品的顛覆性技術(shù)，將對傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線、工廠模式和產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)生重大的影響。3D打印在建筑業(yè)的應用將引發(fā)行業(yè)發(fā)展理念和模式發(fā)生重大而深刻的變革。

上海建工集團總工程師陳曉明說“在智能建造探索之路上，大尺寸3D打印建造是上海建工優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)方向”。

1、當前建筑業(yè)的形勢和發(fā)展趨勢
建筑業(yè)依然是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，在國家建設(shè)中發(fā)揮了極其重要作用。但是，隨著我國人口、經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和城鎮(zhèn)化的發(fā)展，建筑業(yè)的發(fā)展速度不得不由高速發(fā)展回歸于理性、趨于平穩(wěn)良性發(fā)展，建筑業(yè)發(fā)展模式不得不由傳統(tǒng)粗放模式轉(zhuǎn)向高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展。

為加快推動建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級、促進建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，2020年7月，國家住建部等13個部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導意見》，2022年10月，住建部選定24個城市開展智能建造試點，把智能建造的需求推向了新的高度。

2、發(fā)展3D打印的戰(zhàn)略意義
3D打印作為智能建造的重要方向之一，是促進建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級、實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的一種重要手段，是追求舒適工作環(huán)境的必然選擇。3D打印的出現(xiàn)，為建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了新的契機。

發(fā)展3D打印是擁抱新一代信息化技術(shù)、順應國際潮流提升我國建筑業(yè)國際競爭力的必然之舉。近年來國內(nèi)外發(fā)布了《德國工業(yè)4.0計劃》《中國制造2025》《先進制造業(yè)美國領(lǐng)導力戰(zhàn)略》等綱領(lǐng)性文件都把3D打印技術(shù)作為本國優(yōu)先發(fā)展的國家戰(zhàn)略，美國、中國將一些3D打印列為限制性出口技術(shù)。

在經(jīng)濟新常態(tài)下建筑業(yè)亟需快速調(diào)整戰(zhàn)略規(guī)劃、尋找新的核心技術(shù)作為行業(yè)發(fā)展的新增長點，3D打印等新興技術(shù)有望引領(lǐng)建筑業(yè)全面轉(zhuǎn)型升級的前沿賽道，市場巨大。3D打印還能夠改變工程建造的產(chǎn)業(yè)鏈，與其他產(chǎn)業(yè)融通發(fā)展空間廣闊。

3、我們?yōu)槭裁催x擇3D打印
建筑3D打印是從1:1模型到裝備、可以無人干預的自動加工建筑產(chǎn)品的顛覆性技術(shù)。

3D打印原理

當前階段無論是3D打印還是機器人，建筑行業(yè)人力成本遠遠低于機器的綜合成本，當未來人力成本高于機器的綜合成本，行業(yè)將沒有選擇、不得不使用這些自動化技術(shù)。

人力成本高于機器的綜合成本時不得不選擇3D打印等

2014年，3D打印一些核心專利到期，自此之后引起各行各業(yè)更加廣泛關(guān)注，得到了快速發(fā)展；作為自動化、信息化程度相對不高的建筑行業(yè)，更需要擁抱這一類技術(shù)。

3D打印受到各行各業(yè)高度關(guān)注

4、建筑3D打印關(guān)鍵技術(shù)

3D打印工藝
目前常用的建筑3D打印工藝包括材料擠出、粘合劑噴射、直接能量沉積和熔融沉積（FDM）。材料擠出是指通過3D打印設(shè)備的噴嘴選擇性地擠出材料；粘合劑噴射是指通過3D打印設(shè)備選擇性地噴射液體粘合劑和粘結(jié)粉末材料；直接能量沉積是指通過3D打印設(shè)備聚集熱能熔化材料后逐層沉積；熔融沉積是指通過3D打印設(shè)備噴頭加熱熔化材料后擠壓堆積凝固成型。

建筑3D打印常用工藝

材料擠出在建筑3D打印工藝應用中占比最高，其次是熔融沉積，最后是粘合劑噴射和直接能量沉積。

3D打印材料
材料擠出所使用的材料有混凝土、泡沫、復合粘土、輕質(zhì)石材、玄武巖及生物塑料等；熔融沉積所使用的材料為熱塑塑料、樹脂和工程塑料等聚合物；粘合劑噴射所使用的材料為砂或石等及膠合劑；直接能量沉積所使用的材料為不銹鋼。

建筑3D打印材料主要使用混凝土和聚合物，其次是金屬和砂及粘合劑。

建筑3D打印常用材料

3D打印裝備
建筑3D打印裝備根據(jù)結(jié)構(gòu)類型劃分，常用的類型包括機械臂、龍門式、桁架式和塔式4類。龍門式更適合室內(nèi)打印，機械臂和桁架式適用于現(xiàn)場或室內(nèi)打印，塔式更適合現(xiàn)場打印。

建筑3D打印常用裝備

5、建筑3D打印發(fā)展的技術(shù)路線
建筑3D打印發(fā)展的技術(shù)路線可概括3個階段：

第1階段，將3D打印應用于打印模板及節(jié)點和異形非承重結(jié)構(gòu)。例如，通過打印復雜鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點模具進行鑄造，得到鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點，也可直接打印鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點；通過打印異形結(jié)構(gòu)模板進行澆筑，實現(xiàn)異形結(jié)構(gòu)建造。也可將3D打印直接應用于裝飾結(jié)構(gòu)和景觀結(jié)構(gòu)等異形非承重結(jié)構(gòu)的建造。

第2階段，將3D打印應用于打印輕質(zhì)承重結(jié)構(gòu)。豎向功能構(gòu)件和水平輕質(zhì)構(gòu)件，構(gòu)件打印完成后進行現(xiàn)場裝配，完成建（構(gòu)）筑物的建造。豎向功能構(gòu)件包括輕質(zhì)墻體、保溫隔熱墻體和異形輕質(zhì)柱等；水平輕質(zhì)構(gòu)件包括輕質(zhì)拓撲優(yōu)化梁、輕質(zhì)板等，水平結(jié)構(gòu)打印通常采用打印構(gòu)件加組裝或預應力張拉的方式，金屬打印采用一次打印的方式。

第3階段，將3D打印直接用于異形房屋、異形建（構(gòu)）筑物的現(xiàn)場或整體打印。依次用于低層、多層、高層和超高層3D打印的建（構(gòu)）筑物，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D打印將從異形個性化建（構(gòu)）筑物的打印建造向通用建（構(gòu)）筑物的打印建造發(fā)展。

建筑3D打印發(fā)展技術(shù)路線

6、上海建工對建筑3D打印技術(shù)的研究與工程實踐
多年來，上海建工集團以及旗下工程研究總院、建材科技集團、機施集團、五建集團、園林集團等依托多項國家級重大科研項目課題，致力于高分子材料及高性能混凝土材料3D打印工藝、裝備和材料等方面的深入研究和工程實踐。

在科研項目方面，主持完成了國家重點研發(fā)計劃項目“建筑工程現(xiàn)場工業(yè)化建造集成平臺與裝備關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)（課題6為3D打�。�”“面向建筑行業(yè)典型應用的機器人關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)（課題3為3D打�。�”“城鎮(zhèn)建筑垃圾智能精細分選與升級利用技術(shù)（課題3涉及3D打印）”和上海市科研項目“建筑工程現(xiàn)場3D打印建造關(guān)鍵技術(shù)研究”等研發(fā)，多項成果達到國際先進水平。

在3D打印裝備方面，研發(fā)出超大型高分子材料3D打印裝備（25米×4米×2.5米）和大型混凝土3D打印移動平臺（6米×2.4米×2.6米）。

在3D打印工藝方面，創(chuàng)新研發(fā)了適合建筑工程現(xiàn)場3D打印建造的工藝；首創(chuàng)研發(fā)了框架+磚混+疊合板3D打印建筑結(jié)構(gòu)及工藝，解決自由化設(shè)計和交付使用難題；研發(fā)了超大尺度3D打印成型成套工藝。

在3D打印材料方面，研發(fā)了高分子材料制備及自動化輸送技術(shù)，研發(fā)出高性能混凝土3D打印材料及輸送技術(shù)。

在3D打印重大工程方面，牽頭完成了中國首座高分子3D打印橋普陀橋（15m）、泉州3D打印橋（17.5m）、世界上最長3D打印橋成都橋（3D打印部分長21.58m）、中國首個現(xiàn)場3D打印可交付二層建筑等工程的建造。

中國首個現(xiàn)場3D打印可交付二層建筑

世界上最長的3D打印橋位于成都驛馬河公園內(nèi)

7、3D打印在建筑工程的應用效果和優(yōu)勢
設(shè)計靈活創(chuàng)意增加：幾何自由，復雜結(jié)構(gòu)的3D可視化、個性按需定制；

機械化自動化程度高、安全高效：最大限度地改善作業(yè)環(huán)境，大幅度降低勞動強度，減少高風險、高強度現(xiàn)場作業(yè)人員50%以上；

材料效率高：無模板（節(jié)約材料30%），實體可優(yōu)化為空心結(jié)構(gòu)（節(jié)約材料50%）；

智能化運維：3D設(shè)計模型可直接用于運維，打印嵌入傳感，可實現(xiàn)智能化運營維護；

綠色環(huán)保：無污染，減少碳排放。

上海建工將繼續(xù)積極探索新型設(shè)計和施工方式，為智能建造和精益建造提供新的范式，促進建筑業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展。