混凝土3D 打印技術(shù)與裝配式施工相結(jié)合的施工模式分析
——從農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的視角

陳冬杰 向鵬鵬 張震

(新疆理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院)

隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的不斷革新，全世界各個國家的城鎮(zhèn)化水平都在穩(wěn)步提升。但是依然有很多國家和地區(qū)的人民生活在偏遠(yuǎn)和貧困的農(nóng)村地區(qū)。以我國為例，隨著改革開放和城市更新改造項(xiàng)目的實(shí)施，我國城鎮(zhèn)化水平持續(xù)上升[1]。但是，我國人口基數(shù)大，截至2022 年底，農(nóng)村人口占比依然達(dá)到42%。農(nóng)業(yè)、農(nóng)村、農(nóng)民問題是關(guān)系國計(jì)民生的根本性問題，我國在2017 年正式提出鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略以改善農(nóng)村地區(qū)人民的生活水平[2,3]。農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)對農(nóng)村地區(qū)人民的生活起到舉足輕重的作用[4-6]，建設(shè)農(nóng)村地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施是鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略中最為關(guān)鍵的內(nèi)容之一。農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目包含范圍廣闊，從基本的住房需求，到飲水供電項(xiàng)目、交通項(xiàng)目，以及休閑娛樂等項(xiàng)目都屬于農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施[7]。

現(xiàn)有的農(nóng)村地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)模式以傳統(tǒng)的現(xiàn)場施工為主。如何找到一種快速、安全和有效的建設(shè)農(nóng)村地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的建設(shè)方案或者新模式，一直困擾各地相關(guān)政府部門。本文探索使用先進(jìn)的建造方法（3D 打印技術(shù)）和理念（裝配式施工理念），來改進(jìn)現(xiàn)有的建設(shè)模式，從而更好推動農(nóng)村地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目建設(shè)。隨著各種新型技術(shù)的不斷發(fā)明，建設(shè)行業(yè)的發(fā)展也已經(jīng)朝著信息化、數(shù)字化和智能化的方向邁進(jìn)[8]。但是由于建設(shè)領(lǐng)域自身的特點(diǎn)：項(xiàng)目分布范圍廣、實(shí)施周期長、投資大等，不管是在技術(shù)方面，還是在組織管理方面，建設(shè)領(lǐng)域開展數(shù)字化建造都相對緩慢和困難[9]。其中3D 混凝土打?。?DCP）技術(shù)，因其具有建設(shè)工期短、建材損耗少、零廢料等優(yōu)點(diǎn)[10-12]，引起了建設(shè)領(lǐng)域的關(guān)注，得到了很多專家和學(xué)者的重視和認(rèn)可。同時，因3DCP 技術(shù)具有原型設(shè)計(jì)、無模具、高靈活性等優(yōu)點(diǎn)[13-15]，使其非常適合于異形建筑。

3D 打印技術(shù)和裝配式施工都因具有較好的優(yōu)勢，被越來越多的領(lǐng)域和項(xiàng)目認(rèn)可和使用。所以為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)村地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目的可持續(xù)性和韌性，本文提出了使用3D 打印技術(shù)和裝配建造（3DP-PC）相結(jié)合的建造新模式。深入分析3DP-PC 與傳統(tǒng)施工的不同。對3DP-PC 模式在農(nóng)村地區(qū)的適用項(xiàng)目特點(diǎn)、適用的施工環(huán)境以及具體的項(xiàng)目類型進(jìn)行了討論。為農(nóng)村地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供新的思路，同時也推動3DCP 在實(shí)際工程中的應(yīng)用，加速我國數(shù)字化建造的進(jìn)程。更為重要的是，為改善世界貧困地區(qū)和干旱地區(qū)人民的生活水平提供一種高效的方案。

1.研究理論及方法

1.1 3D 混凝土打印

3D 打印技術(shù)（3D Printing Technology），又稱為增材制造（Additive Manufacturing）[16]，是一種新興的制造技術(shù)[17]。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，它最突出的特點(diǎn)是與數(shù)字模型的緊密結(jié)合，是一項(xiàng)真正有潛力做到“所想即所得（What you see is what you get)”的技術(shù)。在工程建造領(lǐng)域，企業(yè)和研究人員同樣想把這項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的建設(shè)中，為建筑業(yè)的發(fā)展和可持續(xù)提供新的解決思路[18]。本研究擬通過使用該技術(shù)，結(jié)合裝配式施工理念，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)村地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目的高效建造，提高相關(guān)利益方的效益。

1.2 裝配式施工

建筑領(lǐng)域的裝配式施工理念是先在工廠加工構(gòu)件，比如柱子、梁、墻等，然后再運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行拼裝的過程[19,20]。當(dāng)然，也可以對整個建筑進(jìn)行預(yù)制。裝配式施工被認(rèn)為是建筑領(lǐng)域工業(yè)化的一個重要標(biāo)志，同時還包括機(jī)械化、自動化和機(jī)器人的使用等[21]。預(yù)制裝配式施工作為一種可以取代現(xiàn)場施工的新模式，近年來受到了各國的廣泛關(guān)注[22]。

由于裝配式建筑的建造速度快，而且生產(chǎn)成本較低，迅速在世界各地推廣開來。裝配式施工的核心理念是工廠生產(chǎn)，現(xiàn)場直接進(jìn)行安裝。裝配式具有以下的特點(diǎn)和優(yōu)勢：（1）大量的建筑部品由車間生產(chǎn)加工完成，構(gòu)件種類包括:外墻板、內(nèi)墻板、疊合板、陽臺、空調(diào)板、樓梯、預(yù)制梁、預(yù)制柱等；（2）現(xiàn)場大量的裝配作業(yè)，比原始現(xiàn)澆作業(yè)大大減少；（3）采用建筑、裝修一體化設(shè)計(jì)、施工，理想狀態(tài)是裝修可隨主體施工同步進(jìn)行；（4）設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和管理的信息化，構(gòu)件越標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)效率越高，相應(yīng)的構(gòu)件成本就會下降，配合工廠的數(shù)字化管理，整個裝配式建筑的性價比會越來越高；（5）符合綠色建筑的要求；（6）節(jié)能環(huán)保。根據(jù)現(xiàn)有項(xiàng)目的實(shí)際測試，裝配式建筑具有較大的節(jié)約資源的優(yōu)勢。本文擬通過3D 打印技術(shù)，在工廠進(jìn)行構(gòu)件打印后，對農(nóng)村地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行現(xiàn)場裝配式施工，以此來實(shí)現(xiàn)資源能源的優(yōu)化和節(jié)約，促進(jìn)可持續(xù)建設(shè)理念的發(fā)展。

1.3 對比分析

本文將3DP-PC 建造模式與傳統(tǒng)的現(xiàn)場施工模式進(jìn)行了對比分析。主要從施工模式、施工進(jìn)度、施工成本、施工空間、施工安全和產(chǎn)品質(zhì)量等多個角度對兩者的區(qū)別進(jìn)行了分析。如圖1 是本文的研究路線圖。本研究在一定程度上說明了3D 打印技術(shù)在農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施施工過程的優(yōu)勢和不足，更為重要的是，為我國農(nóng)村地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供參考和思路，有效推動鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施。

圖1 研究路線圖

2.研究結(jié)果及討論

2.1 3DP-PC 模式的特點(diǎn)

實(shí)現(xiàn)了專業(yè)化、工廠化和流程化建造。傳統(tǒng)的現(xiàn)場施工需要把水泥、砂石骨料、鋼筋和模板等材料直接運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場。然后由現(xiàn)場施工人員進(jìn)行鋼筋綁扎、支撐模板以及混凝土的澆筑和養(yǎng)護(hù)。如圖2(a)為SC 的建造模式示意圖。使用3DP-PC 的建造方法，是將打印材料和鋼筋等先集中運(yùn)輸?shù)焦S，通過3DCP 打印技術(shù)進(jìn)行批量生產(chǎn)，最后從工廠運(yùn)輸組件到各個需求地點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)品的整體拼裝。圖2(b)為3DP-PC 的建造模式示意圖。由此可見，3DP-PC 模式集中人力、物力和財力，在工廠進(jìn)行建造，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)化、工廠化和流程化建造。當(dāng)然，在農(nóng)村地區(qū)選擇合適的打印地點(diǎn)是非常重要的，本研究目前沒有考慮打印工廠的選址問題。

圖2 現(xiàn)場施工VS混凝土3D打印

實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品多樣化設(shè)計(jì)、資源能源集中化生產(chǎn)。3DPPC 建設(shè)模式，第一步也是最為關(guān)鍵的一步是使用3DCP 技術(shù)對建筑構(gòu)件進(jìn)行集中打印，由于3D 打印技術(shù)的高度靈活性，使得可以設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)不一、規(guī)格多樣的建筑部件，從而實(shí)現(xiàn)打印構(gòu)件的多樣性。同時，整個打印過程中以工廠化施工為主，能夠集中資源進(jìn)行施工，更好的實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)和達(dá)到綠色施工的要求。

實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)施工一體化、組織管理規(guī)范化、施工管理數(shù)字化。使用計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的三維圖紙，然后由3D打印機(jī)完成構(gòu)件打印，最后將建筑構(gòu)件運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行裝配式施工。通過3DP-PC 建造過程，從建筑三維設(shè)計(jì)到施工全部完成，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)施工一體化。由于整個過程的核心是在工廠進(jìn)行構(gòu)件打印，所以在人員組織和人員管理方面，都會更加的規(guī)劃和嚴(yán)格，同時可以增加一些視頻監(jiān)控設(shè)備，更好的為整個建設(shè)過程服務(wù)。從而實(shí)現(xiàn)了施工組織管理規(guī)范化和施工管理數(shù)字化與可視化。有效的提高了項(xiàng)目的質(zhì)量和安全等效益。

實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品多樣化設(shè)計(jì)、資源能源集中化生產(chǎn)。3DPPC 建設(shè)模式，第一步也是最為關(guān)鍵的一步是使用3DCP 技術(shù)對建筑構(gòu)件進(jìn)行集中打印，由于3D 打印技術(shù)的高度靈活性，使得可以設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)不一、規(guī)格多樣的建筑部件，從而實(shí)現(xiàn)打印構(gòu)件的多樣性。同時，整個打印過程中以工廠化施工為主，能夠集中資源進(jìn)行施工，更好的實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)和達(dá)到綠色施工的要求。

2.2 3DP-PC 模式適用情景分析

第一類是易地搬遷的房建類項(xiàng)目。這種項(xiàng)目多以低層建筑為主，所以現(xiàn)在的3D 打印技術(shù)已經(jīng)完全能夠滿足施工要求，同時，農(nóng)村易地搬遷項(xiàng)目范圍廣。第二類是蓄水池等蓄水供水類項(xiàng)目。第三類是廁所改造項(xiàng)目。這類項(xiàng)目都是有固定的規(guī)格和尺寸，使用3D 打印技術(shù)完成每個單元的打印，直接運(yùn)輸?shù)骄用窦抑?，非常適合使用這種模式。第四類是沼氣池等能源類項(xiàng)目。隨著環(huán)境日益惡化，農(nóng)村地區(qū)能源的使用也開始受到各方的關(guān)注。能源類項(xiàng)目多以異性結(jié)構(gòu)，使之適合使用3D 打印技術(shù)。隨著人工費(fèi)越來越高，以及3D 打印設(shè)備和打印材料價格的下行，在未來，3D 打印技術(shù)與裝配式等技術(shù)結(jié)合能夠起到非常好的作用。尤其是農(nóng)村地區(qū)勞動力不足、專業(yè)人才缺乏、現(xiàn)場施工組織困難等，使得3DP-PC 建造模式能夠適用更多的農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。

2.3 類似項(xiàng)目案例分析

通過查閱現(xiàn)有資料，3D 打印技術(shù)在農(nóng)村地區(qū)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。比如寧夏銀川全球首個百米整體現(xiàn)場3D 打印的農(nóng)業(yè)大棚；河北唐山2020 年世界首個現(xiàn)場3D 打印廁所；清華大學(xué)徐衛(wèi)國教授采用該技術(shù)在深圳寶安實(shí)現(xiàn)了3D 打印公園，是3D 打印混凝土新技術(shù)首次在全球的市政工程建設(shè)的實(shí)際應(yīng)用。東南大學(xué)張亞梅教授在2021 年的3D 打印田頭棚在浙江東陽鄉(xiāng)村建設(shè)中成功應(yīng)用。3D 打印還可以幫助農(nóng)民制作工具原型，尤其是在一些非洲國家，目前也有大量的應(yīng)用。

3.研究結(jié)論與展望

本研究提出集成混凝土3D 打印技術(shù)和裝配式技術(shù)，形成一種新的農(nóng)村地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目建設(shè)模式，以此來解決貧困山區(qū)建造緩慢、質(zhì)量差、成本高、安全風(fēng)險高等問題。

（1）3DP-PC 建設(shè)模式能夠提高施工效率，減少施工時間，這主要得益于該模式在空間上集中資源，形成了工業(yè)化成產(chǎn)，同時，引入先進(jìn)的3D 打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和信息化生產(chǎn)。

（2）3DP-PC 建設(shè)模式在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。由于3D 打印技術(shù)的快速發(fā)展，很多大型項(xiàng)目都逐步開始使用該技術(shù)。與傳統(tǒng)的現(xiàn)場施工相比，能夠有效的避免人員傷亡，大大降低了施工安全風(fēng)險。

（3）在貧困山區(qū)實(shí)施3DP-PC 建設(shè)模式，能夠集中管理，提高了對項(xiàng)目進(jìn)度、成本和質(zhì)量的控制，明確了各方責(zé)任和義務(wù)，更好的推動了項(xiàng)目的實(shí)施，能夠高效高質(zhì)量的推動扶貧項(xiàng)目的開展。

（4）結(jié)合3D 打印技術(shù)與裝配式施工理念，能夠較好的實(shí)現(xiàn)建設(shè)行業(yè)數(shù)字化、信息化、智能化和自動化建造。

一個新的技術(shù)，能夠真正的被人們使用，對我們生活有所幫助，才能稱得上是好的技術(shù)。隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息化的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出一批新型的技術(shù)和模式。以3D 打印技術(shù)為例，作為一門新的技術(shù)或者是不成熟的技術(shù)，在未來應(yīng)該主要側(cè)重以下幾個方面：一是以資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)為前提；二是以實(shí)際應(yīng)用為目的，切實(shí)解決人類需求；三是以工業(yè)化生產(chǎn)為核心，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；四是通過本研究可發(fā)現(xiàn)，3D 打印技術(shù)必須通過大型的建設(shè)項(xiàng)目來推動，真正的讓他為建設(shè)領(lǐng)域服務(wù)，僅僅是小型的、示范性的項(xiàng)目還不足以體現(xiàn)其優(yōu)越性。