20世纪80年代，随着传统建筑施工过程中资源消耗高、危险系数高，以及生产效率低等问题的日益加重，遵循绿色环保、文明施工、劳动强度降低等理念的3D打印技术应运而生。如今，混凝土3D领域的研究团队越来越多，研究内容、范围也是越来越宽越深，中国、德国、荷兰、美国、英国、丹麦等很多国家都已经有了实际完成的3D打印工程项目。
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当前，混凝土3D打印技术发展是否一帆风顺？主要面临哪些挑战？要想实现跨越发展还需做哪些工作？未来发展方向是什么？带着这些问题，本报记者采访了东南大学材料科学与工程学院教授、南京绿色增材智造研究院院长张亚梅。
不断取得突破进展
“当前，各国混凝土3D打印项目涉及1～2层房屋、小型桥梁、风电塔基、景观小品等。其中，美国的3D打印房屋已经商品化出售。这些已经完成的项目中，有的采用的是现场打印，有的是工厂打印、现场装配的技术。”谈到当前行业发展现状，张亚梅指出，近年来混凝土3D打印取得的主要进展体现在设计与应用、装备、材料研发、配筋技术和标准等方面。
一是设计和应用。国内外都出现了一些优秀的设计团队，针对3D打印工艺设计了一些造型优美的建筑和桥梁等，比如：迪拜的市政厅楼、丹麦的Holstebro单层房屋、德国的Bechkum House、意大利威尼斯的Striatus步行桥、我国南京江北市民广场接待中心、河北武家庄农宅等。
二是装备。过去几年来，已经开发成功了工业化应用规模的打印机，包括机械臂式的机器人打印机、大型桁架式现场打印机等。这两种代表性的打印系统均已经在现场打印中得到了应用验证，并且实现了现场连续泵送打印施工。
三是混凝土材料。在实验室层面，已经研发了多种可打印的混凝土材料，包括可打印砂浆和含有粗骨料的混凝土。但在实际工程的打印中，绝大多数项目都是采用了砂浆进行打印。从技术上来说，打印砂浆相对容易，而打印含有粗骨料的混凝土技术难度较大，特别是现场连续泵送打印的难度更大；另一方面，打印砂浆的表观质量比打印含有粗骨料的混凝土细腻，更容易被用户接受。但从结构混凝土抗裂性要求来说，含有粗骨料的混凝土开裂风险小，材料成本也更低。
四是配筋技术。实验室层面，不少团队都提出了不同的3D打印混凝土增强技术，包括纤维增强、连续钢丝增强、竖向插筋增强、纤维布增强等。但这些增强技术距离传统的钢筋混凝土结构对配筋的要求还差得很远，尚不能完全满足结构增强的要求，而且这些技术多停留在实验室研究阶段，尚不能用于实际工程。
五是标准。我国在混凝土3D打印建造相关的标准制定方面走在国际同行的前面。我国目前已经制定了材料、测试方法、产品等相关的部分标准，还有不少标准，比如打印设备、打印构件、打印建筑技术标准等都已经立项在编制中。
仍然存在制约因素
尽管相对于传统的立模浇筑施工工艺，混凝土3D打印具有节省模板材料、建筑师可以有很大的设计自由度、生产自动化对工人的依赖少效率高等突出的优势，但其发展并非一帆风顺。
混凝土3D打印建筑 南京绿色增材智造研究院/供图
张亚梅表示，虽然近年来全球范围内对3D打印建造技术的关注度很高，研究和应用都取得了不错的进展，但是3D打印建造技术的发展还存在不少问题亟待解决。
一是作为新兴的技术，行业对该技术虽然兴趣很高，但对3D打印技术的认知总体上还比较缺乏，特别是对3D打印工艺和特点缺乏深入的了解；此外，针对3D打印工艺的建筑结构设计少，范例少，大范围推广尚有难度。
二是当前缺乏适用于3D打印工艺的建筑结构体系。由于特殊的层层打印工艺特点，现场打印或者是现场装配都会面临结构构件如梁、板、柱的问题。由于结构承载力和抗震需要，混凝土结构中通常都需要配增强钢筋，而现有的3D打印技术如何和钢筋特别是竖向钢筋的配置协同仍然是一个巨大的挑战，尚未有很好的方式来解决。
三是户外的大型建筑打印及极端环境下的打印技术有待突破。现有的打印主要还是1~2层建筑的打印。未来如果要打印更大规模的房屋，特别是打印高度上有所突破，还面临很多新的问题，比如大型的可移动打印机、能够搭载大型打印机的平台、高层打印建筑的结构性能等。此外，在户外的极端环境下的打印也非常具有挑战性，比如高温下的打印、低温下的打印、低真空下的打印等，以及复杂地形条件下的打印系统和打印等。
四是在大规模推广应用方面，目前还缺乏与3D打印相关的一系列标准。没有标准作为依据，设计、施工、验收等各个环节都会遇到很多问题。
需不同学科交叉合作
“3D打印建造是一个复杂的系统工程，包括设备系统、软件系统、混凝土材料、打印、建筑结构设计、施工、验收交付等。3D打印建造技术向前的推进，缺少了任何一个环节都不行，因此需要学科之间、学界与业界之间的通力合作。”张亚梅认为，3D打印技术与传统的建造技术不同，各个环节的技术要求更高，从设备、软件到材料、打印、结构性能等方面都需要有基础研究来支撑其应用。但从实验室研究到实际的应用，不是实验室研究结果的简单放大，而是在实际应用中需要解决更多更复杂的问题，比如现场连续泵送打印时，环境条件、泵送压力和距离等都和实验室大不相同。因此，学界和业界要通力合作，学界的基础研究要以应用为目标，针对应用场景开展基础研究；业界也要依靠学界来解决实际应用中遇到的基础性的技术难题。
针对如何实现不同学科之间的交叉与合作、学界与工业界的通力合作，张亚梅指出，促进合作的举措可以是多方位的：一是学科交叉。目前国内外做得比较成功的队伍都是由不同的学科人员组成的团队。有些从事3D打印建造研究的人员自发地组建了一个多学科人员组成的团队，也有些单位在做好顶层设计后，成立了专门的研发平台。平台越大，人员学科组成越全，就越能做出大的成果，更快地推动3D打印建造技术的发展。
二是学界与业界的合作。这方面途径比较多，最重要的是行业协会、政府机构或部门可以通过政策引导、鼓励产学研合作。比如，南京的新型研发机构就是一种很好的尝试。这主要得益于东南大学的团队和南京嘉翼及江北研创园共同成立的研究院这个新型研发机构，将研究与应用很好地结合，才能将3D打印技术在全国多个城市得到示范应用。
创新是低碳发展的关键
创新是一个行业发展的根本。谈到3D打印下一步的发展方向，张亚梅认为，3D打印建造技术的发展，需要整个产业链上各个环节的创新和协同发展。
对此，张亚梅建议要重点关注装备的模块化、大型化、可移动式发展；适应不同环境和打印系统的打印材料的多样化、高性能化、低碳化发展；拓扑优化与3D打印技术结合产生新型的结构体系；从设备到材料、设计、打印、建造、验收等的标准体系的建立；建造形式上，3D打印装配式建造和现场打印建造同步发展五个方面。
近年来，随着“双碳”目标的提出，国家对于建材行业如何低碳发展格外重视。在消纳固废方面，张亚梅提出，3D打印和传统混凝土技术没有太多的区别。实际上，3D打印技术对混凝土原材料的要求更高。固废在3D打印技术中的应用，不仅要关注混凝土的打印性，更要关注其硬化后的性能，包括变形、开裂、耐久性等。固废在3D打印混凝土的应用本身是提升了材料层面的低碳性，但如果因为应用不当带来使用性能差等问题，从全生命周期来说，反而是不低碳的。在固废对3D打印混凝土的长期性能影响不明确的情况下，建议可以用在非结构工程，而对于固废在结构等重要工程的应用，应该要在充分的科学研究基础上慎重使用，确保3D打印结构使用的安全性和长期耐久性。
本文原载于《中国建材报》8月29日6版
中国建材报记者：吴跃
