我省3D建筑打印大有可為亟需加快產(chǎn)業(yè)培育

李洪文 國(guó) 棟 王 菲

(山東省工業(yè)和信息化研究院，山東 濟(jì)南 250000)

1 產(chǎn)業(yè)發(fā)展具備三大優(yōu)勢(shì)

1.1 建造速度快，加快施工進(jìn)度

3D建筑施工主要以打印設(shè)備自主工作為主，大幅降低了人力資源的使用和投入，研究表明，3D打印建筑較傳統(tǒng)的施工工藝可縮短約60%的工期，減少約80%的勞動(dòng)力。由于3D建筑打印不需要模具，整個(gè)工序具有一體化的特點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化了施工環(huán)節(jié)，大幅提高了施工效率。

1.2 設(shè)計(jì)自由度高，有效降低施工難度

3D建筑打印的一大優(yōu)勢(shì)就是大大提升了建筑設(shè)計(jì)的自由度，能夠完成傳統(tǒng)建造方式不能實(shí)現(xiàn)的特殊建筑構(gòu)件和產(chǎn)品，進(jìn)而大幅降低了建筑施工的難度。

1.3 減少建筑垃圾和碳排放，提升施工的環(huán)保性

傳統(tǒng)施工結(jié)束后會(huì)產(chǎn)生大量建筑垃圾和未得到有效利用的建材資源，3D建筑打印由于采用增材制造工藝，僅消耗預(yù)先配置的混凝土油墨，同時(shí)相當(dāng)一部分油墨來(lái)自于廢棄的固體建筑垃圾，從而達(dá)到資源循環(huán)利用和保護(hù)環(huán)境的目的。同時(shí)3D打印施工也會(huì)大幅減少傳統(tǒng)施工出現(xiàn)的粉塵和建筑垃圾，有效減少建材、模板及機(jī)械設(shè)備的使用，提升施工環(huán)保性的同時(shí)有力減少碳排放。

2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨三大機(jī)遇

2.1 契合新發(fā)展理念，獲政策大力支持

3D建筑打印是有效應(yīng)對(duì)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)揚(yáng)塵多、水泥等建材生產(chǎn)碳排放強(qiáng)度大、具備低碳環(huán)保綠色優(yōu)勢(shì)的建造方式。住建部、發(fā)改委等部門于2020年7月發(fā)布的《綠色建筑創(chuàng)建行動(dòng)方案》，在綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、綠色建材使用及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等方面提出了明確的標(biāo)準(zhǔn)要求；住建部于2021年印發(fā)的《綠色建造技術(shù)導(dǎo)則(試行)》，更是將綠色發(fā)展理念全程嵌入工程策劃、設(shè)計(jì)、施工的全流程。

2.2 技術(shù)進(jìn)步有力助推行業(yè)發(fā)展

3D建筑打印與BIM技術(shù)的結(jié)合，已成為建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要組成戰(zhàn)略，在設(shè)計(jì)領(lǐng)域產(chǎn)生了基于BIM的設(shè)計(jì)，在智能制造領(lǐng)域興起了以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)的部品深化設(shè)計(jì)等熱點(diǎn)，在智慧施工領(lǐng)域誕生了智慧工地、建筑機(jī)器人和造樓機(jī)等新穎熱點(diǎn)。省內(nèi)看，濟(jì)南大學(xué)在3D建筑打印用混凝土方面的研究取得豐碩成果；齊魯工業(yè)大學(xué)專注于3D建筑打印設(shè)備的研究，在基于DMC運(yùn)動(dòng)控制卡的水泥3D打印設(shè)備和基于水泥構(gòu)件的3D打印控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方面開展了深入研究。

2.3 勞動(dòng)力成本上漲，資源短缺日益突出

研究顯示，2015—2019年在我國(guó)民工從事建筑業(yè)的占比分別為21.1%、19.7%、18.9%、18.6%、18.7%，呈持續(xù)下降走勢(shì)，同時(shí)從事建筑業(yè)的勞動(dòng)年齡人口結(jié)構(gòu)不斷升高，加之勞動(dòng)力用工成本的不斷攀升，傳統(tǒng)建筑行業(yè)的發(fā)展遇到越來(lái)越多的阻礙。3D建筑打印所需勞動(dòng)力很少，無(wú)疑解除了建筑業(yè)用工難的后顧之憂，從而為3D建筑打印行業(yè)的發(fā)展增添了力量。

3 產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨三大挑戰(zhàn)

3.1 缺少針對(duì)性工程應(yīng)用研究

我省針對(duì)3D建筑打印方面的研究仍然零星分布在打印材料、工藝、設(shè)備等方面，打印成果缺少?gòu)膶?shí)際工程應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā)的針對(duì)性的研究，很多研究和成果僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，成果的落地性欠缺，使得理論研究與市場(chǎng)應(yīng)用存在脫節(jié)，研究成果有所折扣。

3.2 3D建筑打印各環(huán)節(jié)研究欠缺協(xié)同性，產(chǎn)學(xué)研用一體化緊密型不強(qiáng)

產(chǎn)業(yè)目前還是局限在各自領(lǐng)域上搞單兵出擊，缺少上下游、不同環(huán)節(jié)之間的協(xié)同和配合，高校、企業(yè)和科研團(tuán)隊(duì)之間信息不對(duì)稱和交流不暢的情況也存在，這就導(dǎo)致3D建筑打印的研究自成一體，阻礙了技術(shù)的整合和總體發(fā)展。

3.3 技術(shù)儲(chǔ)備不足，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范仍不完善

截止2021年底，我省濟(jì)南大學(xué)、齊魯工業(yè)大學(xué)、青島理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)共取得7項(xiàng)3D建筑打印方面的發(fā)明專利，從全國(guó)來(lái)看，僅河北工業(yè)大學(xué)一家就取得14項(xiàng)發(fā)明專利，排名前10的專利申請(qǐng)量中無(wú)一省內(nèi)的機(jī)構(gòu)，表明我省在這方面的研究力度和意愿均不強(qiáng)。另外還沒有在國(guó)家和行業(yè)層面形成對(duì)建筑3D打印材料的性能測(cè)試方法及評(píng)價(jià)體系，省內(nèi)也未承擔(dān)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的編制工作，大大阻礙了該行業(yè)的市場(chǎng)化進(jìn)程，使得3D建筑打印技術(shù)難以吸引社會(huì)資本的進(jìn)入。

4 促進(jìn)產(chǎn)業(yè)快速健康發(fā)展的幾點(diǎn)建議

4.1 科技助力，突破制約行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題

大力發(fā)展復(fù)合型綠色低碳型材料。依托省內(nèi)濟(jì)南大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)，重點(diǎn)開發(fā)各種高性能、超高性能的特種硫鋁酸鹽3D打印混凝土。積極探索各類纖維材料(金屬纖維、聚合物纖維、玻璃纖維)對(duì)高性能3D打印混凝土的增強(qiáng)增韌改性、協(xié)同機(jī)理方面的研究。鼓勵(lì)水泥企業(yè)、水泥制品企業(yè)大力發(fā)展尾礦、工業(yè)建筑固體廢棄物再生骨料和輔助性膠凝材料加工產(chǎn)業(yè)，開發(fā)可拆卸、可多次重復(fù)使用、高性能的結(jié)構(gòu)部件，最大限度降低水泥熟料的利用、提高3D打印混凝土的固廢利用率水平。

集中攻克打印設(shè)備研發(fā)課題。大力研發(fā)模塊化、便攜式、可三維拓展、打印精度高的混凝土3D打印裝備，研發(fā)3D打印混凝土構(gòu)件配筋技術(shù)，積極開發(fā)適應(yīng)不同纖維增強(qiáng)混凝土的擠出打印頭，大力研發(fā)多任務(wù)協(xié)調(diào)打印以及施工中可智能控制的3D打印建造系統(tǒng)。

積極建設(shè)具有國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的科研基地和技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)。借助具備科學(xué)研究?jī)?yōu)勢(shì)的院校和重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建一流的基礎(chǔ)科研服務(wù)平臺(tái)，以企業(yè)為主體打造行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)，大力研究開發(fā)高強(qiáng)度、高韌度、高抗裂性的3D打印混凝土材料及打印技術(shù)，加快培養(yǎng)造就國(guó)內(nèi)著名的打印混凝土材料科研隊(duì)伍。

4.2 生態(tài)融合，打造協(xié)同創(chuàng)新的產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)生態(tài)

鼓勵(lì)企業(yè)圍繞產(chǎn)業(yè)鏈、生態(tài)圈開展兼并重組，做大做強(qiáng)。一方面鼓勵(lì)省內(nèi)有代表性、實(shí)力強(qiáng)的水泥企業(yè)和水泥制品企業(yè)因地制宜開展商業(yè)模式創(chuàng)新，跨地域跨產(chǎn)業(yè)擴(kuò)張，不斷延伸并壯大產(chǎn)業(yè)鏈條，積極切入3D打印混凝土業(yè)務(wù)，密切與建筑產(chǎn)業(yè)的融合，大力發(fā)展3D建筑打印產(chǎn)業(yè)。另一方面積極引進(jìn)國(guó)內(nèi)3D建筑打印方面的頭部企業(yè)，加強(qiáng)與盈創(chuàng)科技、華商陸海等企業(yè)的招商合作力度，推動(dòng)更多盈創(chuàng)夢(mèng)工廠落地山東，吸引上下游關(guān)聯(lián)企業(yè)集群發(fā)展，加快產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同創(chuàng)新，共同培育3D建筑打印產(chǎn)業(yè)。

加快搭建以企業(yè)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。鼓勵(lì)和支持以省內(nèi)水泥和水泥制品頭部企業(yè)、骨干企業(yè)為支撐，在產(chǎn)業(yè)鏈上建立技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)，鼓勵(lì)開放式協(xié)同式創(chuàng)新。支持頭部企業(yè)和科研院所建設(shè)開放型、學(xué)科交叉、上下游緊密互動(dòng)的產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新的新型科研機(jī)構(gòu)和技術(shù)創(chuàng)新結(jié)合體，不斷提高企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力和研發(fā)水平。

探索建立行業(yè)新科技產(chǎn)業(yè)投資基金。增強(qiáng)與資本市場(chǎng)的交流合作，在環(huán)保利廢、綠色低碳、高性能材料等前沿新興領(lǐng)域支持新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整方面支持優(yōu)勢(shì)企業(yè)聯(lián)合重組，推動(dòng)高端制造和服務(wù)型制造發(fā)展，支持新型科研機(jī)構(gòu)、行業(yè)互聯(lián)網(wǎng)集采平臺(tái)、混凝土藝術(shù)與文創(chuàng)平臺(tái)等新業(yè)態(tài)的創(chuàng)新發(fā)展。

大力推進(jìn)3D打印建筑產(chǎn)品的應(yīng)用展示和示范。依托盈創(chuàng)夢(mèng)工廠山東項(xiàng)目，加快推進(jìn)3D打印創(chuàng)意創(chuàng)業(yè)園建設(shè)，集中展示3D打印涼亭、茶水臺(tái)、垃圾分類點(diǎn)、警用執(zhí)勤室、景觀小品及柱體、景觀墻、圍欄、長(zhǎng)椅、公園桌椅、花壇花池、景觀燈筒、別墅小院等產(chǎn)品。 以優(yōu)化綠色生態(tài)景觀、健康環(huán)境功能為目標(biāo)，探索組織召開3D打印生態(tài)混凝土創(chuàng)新創(chuàng)意設(shè)計(jì)與應(yīng)用情況大賽。

4.3 數(shù)字賦能，提升產(chǎn)業(yè)的智能制造水平

加快推進(jìn)生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工過程的數(shù)字化技術(shù)研發(fā)。鼓勵(lì)企業(yè)作為主體進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，研發(fā)預(yù)拌3D打印混凝土運(yùn)輸中性能監(jiān)控和調(diào)控的信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)3D打印混凝土質(zhì)量“最后一公里”的精準(zhǔn)管理。推動(dòng)研發(fā)預(yù)制混凝土設(shè)計(jì)仿真軟件及混凝土模具，降低鋼質(zhì)模具的消耗，減少模具材料消耗產(chǎn)生的能耗和碳排放。實(shí)現(xiàn)BIM技術(shù)和數(shù)字信息技術(shù)在預(yù)制混凝土行業(yè)中的運(yùn)用，提高混凝土構(gòu)件深化設(shè)計(jì)和企業(yè)精細(xì)化管理水平。

全面采用信息技術(shù)重構(gòu)企業(yè)的生產(chǎn)管理體系。積極推動(dòng)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合創(chuàng)新發(fā)展，加快提升原材料供應(yīng)鏈、生產(chǎn)流程管理和應(yīng)用服務(wù)信息化管理水平。構(gòu)建完善信用質(zhì)量體系，加快實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程可視化和遠(yuǎn)程控制，在存儲(chǔ)和施工管理環(huán)節(jié)融合BIM技術(shù)，促進(jìn)建筑設(shè)計(jì)、預(yù)制3D打印混凝土生產(chǎn)、構(gòu)件運(yùn)輸、裝配施工的深度融合。