極端環(huán)境下增材建造（混凝土3D打�。┘夹g發(fā)展，中交一公院富志鵬演講分享

南極熊導讀：2024年8月，“第一屆極端環(huán)境交通基礎設施高品質建養(yǎng)與防減災學術會議暨第七屆中國公路學會工程地質和巖土分會學術年會”在西安順利召開。極端環(huán)境綠色長壽道路工程全國重點實驗室副主任、學術帶頭人富志鵬，受邀在會上作題為《極端環(huán)境交通基礎設施增材智能建造技術研究》的演講，從研究背景與技術需求、增材智能建造核心技術體系、交通基礎設施領域應用研究、技術成效與應用展望等方面分享了工程領域增材建造技術。

△富志鵬作“極端環(huán)境交通基礎設施增材智能建造技術研究”學術報告

不久后，憑借西北地區(qū)首座3D打印城市景觀拱橋“常寧印”等落地工程產(chǎn)生的廣泛社會影響力，10月19日陜西衛(wèi)視“絲路新周刊”節(jié)目報道了其建造理念與落地現(xiàn)狀，采訪了中交一公院副總經(jīng)理富志鵬，并對一公院的3D打印技術發(fā)展歷程及應用成效進行了介紹。

△陜西衛(wèi)視《絲路新周刊》欄目報道

富志鵬，工學博士，正高級工程師，博士生導師。極端環(huán)境綠色長壽道路工程全國重點實驗室副主任及學術帶頭人，中交一公院副總經(jīng)理、工程技術研究院院長。長期從事道路工程設計建造與科技研發(fā)工作，對極端環(huán)境公路工程設計建造有豐富的工程經(jīng)驗�，F(xiàn)任陜西省重點創(chuàng)新團隊“交通基礎設施健康保障創(chuàng)新團隊“帶頭人，壩道工程醫(yī)院中交分院執(zhí)行院長，交通運輸部人才培養(yǎng)示范基地負責人，中國技術市場協(xié)會交通運輸委員會副主任等職。主持或參與國家級、省部級等重大科研項目30余項，20余條高速公路設計、70余個項目咨詢審查。先后獲得省部級特等、一二三等及專項科技獎勵10項，工程勘察設計及咨詢一二三等獎3項；申請專利35項，其中發(fā)明專利24項；參編標準規(guī)范6項，其中行業(yè)標準2項、團體標準4項；發(fā)表高質量學術論文30余篇，出版專著3部，獲得全國公路優(yōu)秀科技工作者、陜西省三秦英才特殊支持計劃科技創(chuàng)新領軍人才、陜西省總工會“工人先鋒號”、中交集團“品牌團隊"負責人等榮譽稱號。   

本次會議是在中國工程院土木、水利與建筑工程學部、中國公路學會、中國交通建設集團有限公司指導下，由極端環(huán)境綠色長壽道路工程全國重點實驗室發(fā)起的全國性學術會議。會議邀請中國科學院院士、中國工程院院士20余位蒞臨指導，領域內杰出青年、長江學者、教授、專家等國家高層次人才50余位齊聚長安，會議以建設、養(yǎng)護、防減災、綠色、韌性、安全為主題，圍繞精細化勘察技術、病害監(jiān)測與評估、材料和建筑韌性、應急搶通、道路交通規(guī)劃和安全對策等關鍵方向，搭建高層次、高品質學術平臺，通過深入交流與合作，共同推動行業(yè)高質量發(fā)展。

以下是富志鵬演講的主要內容：

1. 研究背景與行業(yè)需求：增材智能建造技術的興起與挑戰(zhàn)

自2013年起，全球范圍內啟動了制造業(yè)智能化轉型的競賽，中國也提出了《中國制造2025》和“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，增材制造成為關鍵一環(huán)。在此背景下，工程建造行業(yè)正經(jīng)歷數(shù)字化、智能化轉型，其中增材智能建造技術尤為突出。針對我國交通基礎設施在極端環(huán)境下的建設挑戰(zhàn)，如高寒高海拔地區(qū)的惡劣自然條件導致的施工效率低、質量保障難等問題，工程結構增材智能建造技術因其快速實現(xiàn)復雜結構、少人無模的優(yōu)勢被視為解決方案。該技術主要面向材料、算法、工藝、裝備、軟件、控制系統(tǒng)等方面展開研究，盡管已取得一定成果，但仍存在大量關鍵技術及應用難題。中交一公院作為行業(yè)領軍企業(yè)，緊跟前沿技術，已建成交通系統(tǒng)首家3D打印建造實驗室，并形成了面向交通基礎設施的成套增材智能建造核心技術體系，應用場景廣泛，前景廣闊。   

△工程結構增材智能建造技術發(fā)展與應用場景

2. 核心技術體系構建：增材智能建造技術的全面突破

中交一公院面向工程領域的增材智能建造技術，通過多學科交叉研究，實現(xiàn)了從設計到應用的全過程技術布局。該體系成功解決了復雜環(huán)境下材料性能調控、打印裝備尺度精度受限、設備系統(tǒng)智能化難度大、異型構件打印路徑開發(fā)難、質量影響因素復雜等五大關鍵技術難題。

在材料方面，自主研發(fā)了低碳膠凝材料、OPC材料體系及OPC-SAC復合材料體系，建立了相應的技術體系并應用于示范工程。

裝備方面，開發(fā)了機械臂打印設備系統(tǒng)和大尺度模塊化桁架裝備系統(tǒng)，實現(xiàn)了五代工具端的革新，提升了打印流量、精度、效率和質量。

△機械臂打印設備系統(tǒng)和大尺度模塊化桁架裝備系統(tǒng)

系統(tǒng)平臺方面，研發(fā)了首套完備的混凝土3D打印控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了全工藝過程的安全監(jiān)控和精準協(xié)同。   

△第一套相對完備高效的混凝土3D打印控制系統(tǒng)

工藝方面，實現(xiàn)了前端設計數(shù)字化和任意復雜三維結構的靈活打印。質量控制方面，通過參數(shù)協(xié)同設計實現(xiàn)了打印質量的高精度控制。

△實現(xiàn)前端設計數(shù)字化，任意復雜三維斜向空間、懸挑結構多自由度靈活打印

3. 交通基礎設施應用探索：增材智能建造技術的多樣化實踐

在交通基礎設施領域，增材智能建造技術展現(xiàn)出廣泛的應用潛力。典型應用場景包括路面路基結構、橋梁與隧道工程、聲屏障、護坡、服務區(qū)及景觀建筑等。在道路工程中，該技術結合高性能材料，能夠實現(xiàn)輕質高強路面結構的快速建造，并可根據(jù)極端環(huán)境需求進行功能性設計。橋梁工程中，以西安市常寧新區(qū)考古文化公園混凝土3D打印景觀拱橋為例，展示了從設計、模擬生產(chǎn)到智慧監(jiān)測與集成控制的全過程應用。路側市政景觀工程中，該技術應用于圍墻和門房工程，采用新型構造形式和組合結構，實現(xiàn)個性化、高質量的生產(chǎn)。打印生產(chǎn)關鍵技術方面，通過過程及環(huán)境溫控、結構增強等輔助措施，確保了高質量生產(chǎn)。   

△從設計、模擬生產(chǎn)到智慧監(jiān)測與集成控制

4. 技術成效與未來展望：增材智能建造技術的持續(xù)發(fā)展與影響

工程結構增材智能建造技術已廣泛應用于交通基礎設施、景觀、橋梁、建筑等多領域，成效顯著。一公院基于該技術主持包括國家級、省部級、自然科學基金重點項目在內的課題近40項，合同總額6000余萬，節(jié)省工程成本數(shù)百萬。圍繞材料、裝備、控制系統(tǒng)與平臺、建造工藝等全技術鏈形成成套的知識產(chǎn)權群組，研究成果申請專利40余項，授權27項，其中發(fā)明7項；軟件著作權4項；發(fā)表SCI檢索及中文核心等高質量學術論文30篇;獲得國家級、省部級、行業(yè)協(xié)會等榮譽獎勵16項。部分核心研究成果鑒定為國際領先水平，團隊創(chuàng)新水平總體處于國內領先地位。

研發(fā)的工程結構增材智能建造技術滿足極端環(huán)境下技術及結構需求以外，成功解決了傳統(tǒng)施工方式帶來的施工周期長、設計自由度受限、人工及模板成本高以及環(huán)境影響大等共性問題。實現(xiàn)了建造增效70%以上；對于有藝術造型建造需求的復雜構件可實現(xiàn)度提升50%以上；建造過程具有無�；�、少人化等特點，節(jié)省模板費用100%；預制裝配，環(huán)保高效，社會、經(jīng)濟、生態(tài)效益顯著。未來，該技術將進一步拓展應用場景，推進產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，助力現(xiàn)代化基礎設施建設體系的構建。

在多項落地建成的3D打印工程項目中，位于陜西省西安市的多座混凝土3D打印橋梁產(chǎn)生了廣泛的社會影響力，引發(fā)關注。10月19日，陜西衛(wèi)視《絲路新周刊》欄目聚焦報道了一公院設計建造的西北地區(qū)首座混凝土3D打印景觀拱橋。   

據(jù)悉，中交一公院將繼續(xù)深耕混凝土3D打印技術領域，面向交通、建筑等行業(yè)進一步擴大應用場景，助力推動現(xiàn)代化基礎設施建造技術的綠色化、工業(yè)化與智能化升級。