多元參與視角下我國建筑3D打印研究應(yīng)用綜述

李德智， 陳錚一， 鐘健雄

(1. 東南大學 土木工程學院， 江蘇 南京 211189； 2. 新加坡國立大學 環(huán)境設(shè)計學院， 新加坡 119077)

建筑3D打印被定義為利用打印噴嘴對可凝固建筑材料進行選擇性分層疊加的一種建造方法[1]，是一種融合了建筑設(shè)計、計算機、機器人、材料等多學科的新興建造技術(shù)，有著提高資源利用率、提升建造效率、降低垃圾廢棄物排放、滿足定制化設(shè)計等現(xiàn)實意義[2]。1995年美國學者Pegna提出利用蒸汽噴射粘結(jié)劑選擇性粘結(jié)砂石，從而層層打印，被視為建筑3D打印的先驅(qū)[2]。經(jīng)過20多年的發(fā)展，國外的建筑3D打印技術(shù)已經(jīng)形成了三類成熟的典型工藝：第一類為2004年美國南加州大學Behrohk Khoshnevis教授發(fā)明的“輪廓工藝”打印技術(shù)[3]；第二類為2005年意大利發(fā)明家Enrico Dini設(shè)計的“D-Shape”工藝；第三類為2008年英國拉夫堡大學Richard Buswell團隊發(fā)明的3D混凝土打印技術(shù)[4]。除技術(shù)成果之外，國外科研機構(gòu)在理論研究方面也形成了豐富的成果，涵括了建筑3D打印的現(xiàn)狀綜述[5,6]、打印工藝的可行性論證[7]以及推動行業(yè)發(fā)展的概念框架[8]等各類領(lǐng)域。在戰(zhàn)略政策領(lǐng)域，國外政府部門同樣有著較為領(lǐng)先的經(jīng)驗，如2014年美國航天局出資與南加州大學合作，計劃在月球上利用“輪廓工藝”為航天員打造必要的建筑設(shè)施[9]；2016年沙特阿拉伯發(fā)布了《迪拜3D打印戰(zhàn)略》，這也是建筑3D打印領(lǐng)域的首個國家級戰(zhàn)略，旨在到2025年為止，實現(xiàn)利用3D打印技術(shù)完成迪拜25%的房屋建造，并將迪拜打造成為世界建筑3D打印中心[10]。 近年來，我國社會各界也同樣對建筑3D打印進行了豐富的理論研究與實踐探索，產(chǎn)出了涵括各類維度的研究成果。本文從科研院所、政府部門和市場機構(gòu)等多元主體參與的視角出發(fā)，全面梳理我國建筑3D打印相關(guān)的前述研究成果現(xiàn)狀，剖析我國建筑3D打印領(lǐng)域存在的不足，提出促進我國建筑3D打印健康可持續(xù)發(fā)展的對策建議。

1 我國科研院所主導的建筑3D打印研究現(xiàn)狀

1.1 建筑3D打印領(lǐng)域主流科研院所

科研院所作為國家創(chuàng)新體系的重要體系，在建筑3D打印領(lǐng)域擔任著重要的先鋒角色，其中同濟大學、清華大學及華中科技大學等科研院所組成了目前主流的研究隊伍(表1)，其具備三大基本要素：(1)厚實的專業(yè)基礎(chǔ)，尤其在建筑設(shè)計、土木工程、計算機科學以及材料科學等相關(guān)學科上占據(jù)絕對優(yōu)勢；(2)強大的資源支持，用以應(yīng)對現(xiàn)今建筑3D打印的商業(yè)化程度較為落后、缺乏可觀的利潤回報等困境；(3)國際化的領(lǐng)先視野，工作營、研習班以及國際會議等形式的活動成為主流梯隊積極謀求國際經(jīng)驗交流的核心策略。

表1 我國建筑3D打印領(lǐng)域的主流科研院所

1.2 建筑3D打印理論類研究

在理論研究領(lǐng)域，科研院所的研究成果最為豐富，涵括從發(fā)展綜述、打印技術(shù)分析、成本計算以及發(fā)展路線等各方面。首先對國內(nèi)外建筑3D打印的發(fā)展綜述是一個熱點，相關(guān)研究成果較多[11～17]包括引介“D型工藝(D-shape)”“輪廓工藝(Contour Crafting)”“混凝土打印(Concrete Printing)”等建筑3D打印的典型工藝，介紹荷蘭、英國、美國等發(fā)達國家的建筑3D打印具體案例，總結(jié)國內(nèi)其他高校團隊的建筑3D打印效果科研成果，以及闡述上海盈創(chuàng)、萬科等市場機構(gòu)的產(chǎn)業(yè)化路徑等。

另一部學者的理論研究側(cè)重于打印技術(shù)。在打印材料方面，馬敬畏等[15～17]針對混凝土材料，介紹了其在原料、配合比設(shè)計以及施工工藝等各方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對混凝土打印的發(fā)展趨勢提出了展望，任常在等[18]利用多物理場耦合軟件對不同水灰比下漿體噴出速度及質(zhì)量的影響規(guī)律進行了仿真計算，分析了打印材料的最佳水灰比，雷斌等[19]基于計算機優(yōu)化技術(shù)為3D打印混凝土提出了較為完善的配合比設(shè)計體系；在打印工藝研究方面，李榮帥[20,21]探討了利用微分演化算法改進打印噴頭路徑，設(shè)置單軸導軌以及自爬功能裝置對于提升打印效率、改進打印工藝的理論價值，王麗萍等[22,23]通過分別跟蹤3D打印多層建筑與3D打印別墅兩個具體項目的施工流程，從基層表面處理、墻體構(gòu)件吊裝等方面分析了在實際施工中建筑3D打印的具體方法與難點，朱彬榮等[24]提出了預留孔道以張拉預應(yīng)力筋和在結(jié)構(gòu)層間打印薄樹脂以提高層間粘結(jié)強度和韌性的兩種工藝改進措施；在建筑設(shè)計方面，袁鋒等[25,26]探討了建筑3D模型以及參數(shù)化算法對于設(shè)計的影響，探討了運用參數(shù)化軟件跨越多學科基礎(chǔ)門檻，提升定制化建造的可行性。

還有一些學者關(guān)注建筑3D打印的成本計算。如Ling等[27]建議將建筑物結(jié)構(gòu)部分和建筑物填充材料部分分開，列出預制構(gòu)件進行成本計算，Yang等[28]則指出3D打印建筑具備工業(yè)產(chǎn)品和建筑產(chǎn)品的雙重屬性，因而其成本計算應(yīng)兼顧兩類產(chǎn)品的不同計算規(guī)則。

另有小部分學者探討了未來建筑3D打印的發(fā)展方向。肖緒文等[29]提出了基本延續(xù)、部分延續(xù)以及完全突破傳統(tǒng)方式的三種技術(shù)發(fā)展方向，其劃分核心為建筑3D打印顛覆傳統(tǒng)建筑方式的程度大?。怀瘫倘A等[30]以打印方式為劃分依據(jù)，提出了全尺寸打印、分段打印后裝配以及群組機器人打印的三種發(fā)展路線。

1.3 建筑3D打印技術(shù)類研究

受限于研發(fā)成本與實驗場所面積，科研院所在技術(shù)類研究領(lǐng)域的成果與理論類相比較為薄弱。技術(shù)類研究主要由打印材料、打印設(shè)備和打印軟件系統(tǒng)三部分組織，打印材料因其成本門檻較低，成為科研院所最為普遍的研究對象，部分打印材料研究成果如表2所示。

表2 我國科研院所的部分建筑3D打印材料研究

打印軟硬件設(shè)備的研發(fā)門檻較高，相關(guān)的研究大多由上述主流梯隊成員所承擔：華中科技大學的丁烈云院士等[4]自主研發(fā)了一種包含旋轉(zhuǎn)撥盤、底板、導軌以及滑塊動片四部分的打印噴頭，提升了出料速度；清華大學的徐衛(wèi)國教授[38]自主研發(fā)了由數(shù)字建筑設(shè)計、打印路徑生成、操作控制系統(tǒng)、打印機前端、混凝土材料等創(chuàng)新技術(shù)集成的混凝土3D打印系統(tǒng)技術(shù)，打印出了混凝土橋梁；同濟大學的“數(shù)字設(shè)計研究中心”為教育部重點實驗室“高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能”的重要組成部分，可以完成對建筑模型一體化加工、機械臂銑削等工具端的測試[39]；中國建筑技術(shù)中心則自主研發(fā)了工業(yè)級的大型建筑3D打印機，有效滑動范圍為長12 m、寬6 m、高5 m，可以滿足小型房屋、墻體構(gòu)建和景觀部品的打印。

2 我國市場機構(gòu)主導的建筑3D打印現(xiàn)狀

2.1 建筑3D打印領(lǐng)域的主流市場機構(gòu)

盡管建筑3D打印在國內(nèi)的發(fā)展歷史較短，但是市場機構(gòu)的主流梯隊也已逐漸形成，考慮到企業(yè)信息網(wǎng)頁化、新聞化的存在模式，本文通過網(wǎng)絡(luò)爬蟲軟件的檢索與歸納，將其匯總?cè)绫?所示，基本上具有較早的起步時間、堅實的資源支持、豐富的媒介宣傳等特點。

表3 我國建筑3D打印領(lǐng)域的主流市場機構(gòu)

2.2 建筑3D打印技術(shù)研究

對于有能力完成實現(xiàn)建筑3D打印產(chǎn)品的市場機構(gòu)而言，其已具備了包含打印軟硬件及材料在內(nèi)的完整打印能力。與科研院所的側(cè)重不同，軟硬件設(shè)備相對于打印材料在市場機構(gòu)之中的輿論放大效應(yīng)更為明顯，因而與其相關(guān)的信息披露更加豐富，部分打印技術(shù)研究成果如表4所示。

2.3 建筑3D打印應(yīng)用研究

在表4所披露的技術(shù)能力基礎(chǔ)上，市場機構(gòu)開展了豐富的建筑3D打印應(yīng)用研究，包含打印產(chǎn)品應(yīng)用以及產(chǎn)學研應(yīng)用兩大方面，如表5所示。

表4 我國市場機構(gòu)的部分建筑3D打印技術(shù)研究

表5 我國建筑3D打印的部分產(chǎn)品研究

3 我國政府部門主導的建筑3D打印現(xiàn)狀

3.1 政策標準研究

近年來，3D打印產(chǎn)業(yè)作為第三次工業(yè)革命的重要標志之一引起了我國中央政府的高度重視，各級政府部分陸續(xù)出臺了制度、財政、教育等方面的扶持政策，但是囿于打印技術(shù)的不成熟以及較低的社會認可度，針對建筑3D打印領(lǐng)域的具體政策推進進程相對緩慢，通常只在增材制造和裝配式建造的相關(guān)政策中被提及，某種程度上還是圍繞裝配式建筑所進行的深度推廣，而非真正服務(wù)于建筑3D打印的扶持政策，部分相關(guān)政策如表6所示。

表6 我國建筑3D打印的相關(guān)政策研究

3.2 政企合作實踐

新型技術(shù)產(chǎn)業(yè)的投資數(shù)額通常較大，投資回收期限較長，普通市場機構(gòu)往往難以承擔過高的資本風險，在某種成程度上這也限制了技術(shù)產(chǎn)業(yè)自身的發(fā)展。對于有潛力的技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域，政府一直積極扮演推進者的角色，與市場機構(gòu)建立各類合作關(guān)系，分擔風險的同時，利用自身的經(jīng)濟及政策優(yōu)勢探索當?shù)亟ㄖa(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的可行性，部分地方政府與企業(yè)在建筑3D打印領(lǐng)域的合作實踐如表7所示。

表7 我國建筑3D打印的部分政企合作實踐研究

4 我國建筑3D打印發(fā)展存在的不足

依賴于較早的起步時間和強大技術(shù)資金優(yōu)勢，國外建筑3D打印產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸由初期探索階段逐漸邁入穩(wěn)定成熟階段，而縱觀前述我國建筑3D打印技術(shù)的理論研究和實踐探索可以發(fā)現(xiàn)，我國科研院所、市場機構(gòu)以及政府部門已經(jīng)取得了一定的成果，但與國外相比我國的建筑3D打印產(chǎn)業(yè)尚處在追趕國外先進技術(shù)的發(fā)展初期，還存在以下不足：

(1)科研院所研究成果局限性較大。1)研究團隊尚未成熟，主流的科研院所研究梯隊尚處在摸索階段，其他非主流高校則更鮮有顯著的建筑3D打印技術(shù)成果，此外針對建筑3D打印領(lǐng)域的專項基金項目以及社會合作匱乏，這也成為了拉開與國外高校間研發(fā)動力差距的關(guān)鍵因素；2)理論研究缺乏論證，盡管我國科研院所的理論成果豐富，但由于缺乏與市場機構(gòu)合作的項目實證，導致這類成果的落地性有待考證；3)打印技術(shù)落地性不強，以打印設(shè)備為例，受限于實驗室小規(guī)模化的生產(chǎn)條件，試驗過程通常無法完全模擬實際的施工工藝與預算規(guī)劃，限制了與市場接軌的可能性。

(2)市場機構(gòu)核心競爭力較弱。1)打印工藝方面，國內(nèi)市場機構(gòu)大多局限于依托或仿造國外的“輪廓工藝”技術(shù)，導致打印工藝類型單一且缺乏原創(chuàng)性，與國外相比，金屬打印、移動式打印等新型工藝研發(fā)稀缺；2)打印軟件方面，國內(nèi)市場機構(gòu)大多依賴于國外專有軟件的拼接運作，而實際打印過程中建模軟件、圖像腳本軟件以及數(shù)控軟件之間的接口往往會存在斷層，信息無法完成無縫傳遞[40]；3)在行業(yè)發(fā)展方面，市場機構(gòu)間的信息不對稱嚴重，缺乏企業(yè)間的合作交流且往往自成體系，不利于行業(yè)的資源利用與整體發(fā)展。

(3)政府部門扶持力度不足。1)針對建筑3D打印行業(yè)的相關(guān)政策標準匱乏，在我國乃至國際上還未有具備執(zhí)行力的相關(guān)行業(yè)規(guī)范，使相關(guān)實踐項目的各方責任不明確，各項審核驗收難以執(zhí)行[30]，這也致使建筑3D打印產(chǎn)業(yè)缺乏足夠的社會認可度與社會資本涌入，進而阻礙了其市場化進程的推進。2)政企的合作深度與廣度欠缺，在深度方面，政企合作級別僅停留在地方政府階段，缺乏諸如迪拜、美國等國家級政府的強有力推動，滯緩了建筑3D打印的普及速度；在廣度方面，政府青睞與龍頭企業(yè)合作，導致合作對象單一，易加深市場結(jié)構(gòu)分化。

(4)多元參與合作度較低。1)參與模式固化，我國建筑業(yè)圍繞著傳統(tǒng)建造技術(shù)早已形成了相當完整的工業(yè)體系和產(chǎn)業(yè)鏈[40]，同時作為傳統(tǒng)的建筑業(yè)大國，國內(nèi)建筑業(yè)的各參與主體更青睞于保守穩(wěn)重的作風，傾向于選擇安全性更高的傳統(tǒng)建造方式，尤其在面臨建筑工程資金龐大、政策法規(guī)未知的風險下，突破現(xiàn)有的固化思想難度較大；2)參與主體之間的合作還在探索階段，還局限于政企、校企、校政等兩兩主體之間的淺層探討，在建筑3D打印產(chǎn)業(yè)之中尚未形成具備影響力的多方合作聯(lián)盟，導致科研院所、市場機構(gòu)及政府部分之間的資源整合欠缺，局限了產(chǎn)業(yè)資源利用的最大化。

5 結(jié)論與建議

作為一種信息化時代的新興建造技術(shù)，建筑3D打印是促進我國建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級的有效抓手，具有重要的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。目前，我國科研院所、市場機構(gòu)、政府部門等多元主體積極參與，在建筑3D打印的材料、打印機、性能檢測設(shè)備和方法、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等方面有所突破，但是總體上尚處于起步階段，面臨科研院所研究成果局限性大、市場機構(gòu)核心競爭力較弱、政府部門扶持力度不足、多元參與合作度較低等問題。因此，建議從多元參與的視角出發(fā)，著力采取以下三個方面的措施，推進建筑3D打印在我國的健康可持續(xù)發(fā)展：

(1)整合多方資源，完善打印技術(shù)與理論。政府部門應(yīng)加強引導參與主體的積極性，市場機構(gòu)、科研院所應(yīng)著力推動建筑3D打印的技術(shù)進步，各司其職實現(xiàn)參與主體之間的資源共享與項目共擔，研發(fā)性能更為完善的新型材料或配比方案，突破軟硬件兼容性瓶頸，同時注重復合型人才的培養(yǎng)和科研隊伍建設(shè)，以豐富的實踐基礎(chǔ)論證技術(shù)理論可行性，從而實現(xiàn)理論與實踐的結(jié)合。

(2)吸納受眾需求，出臺產(chǎn)業(yè)標準與政策。借鑒國外政府對于建筑3D打印產(chǎn)業(yè)的扶持舉措，我國相關(guān)政府部門應(yīng)通過實際走訪、舉辦聽證會等手段廣泛吸納科研院所與市場機構(gòu)的發(fā)展需求，以“循序漸進、鼓勵創(chuàng)新”[21]為原則，切實制定適應(yīng)國情的技術(shù)標準，推動建筑3D打印產(chǎn)業(yè)的合法化與參與主體行為的規(guī)范化，還應(yīng)利用合適的政策手段建立健康的利益協(xié)調(diào)機制，保護知識產(chǎn)權(quán)，對于從事建筑3D打印研究的相關(guān)科研院所或市場機構(gòu)予以政策扶持，嘗試以基金扶持、貸款優(yōu)惠等方式鼓勵和引導建筑業(yè)參與主體勇于突破固有的工業(yè)模式。

(3)堅定理性過渡，協(xié)同多元合作與發(fā)展。鑒于傳統(tǒng)建筑工業(yè)鏈的固化模式與各類風險，參與主體應(yīng)該堅持理性地尋求由傳統(tǒng)建造方式向建筑3D打印的穩(wěn)定過渡，在過渡轉(zhuǎn)型初期應(yīng)該接受并鼓勵與傳統(tǒng)建造模式的協(xié)同發(fā)展，重新協(xié)調(diào)參與主體間的利益關(guān)系，為新型工業(yè)鏈的形成奠定穩(wěn)固基礎(chǔ)。另一方面，建筑3D打印產(chǎn)業(yè)應(yīng)該積極推動由政府引導、企業(yè)牽頭、高校支持的產(chǎn)學研政聯(lián)盟建立，以更為專業(yè)、密切的形態(tài)，實現(xiàn)對社會各方資源的有效整合，為建筑3D打印技術(shù)的發(fā)展提供高質(zhì)量的多元協(xié)同發(fā)展。