導讀：近日，第十七屆土木、結構和環境工程計算國際會議（Civil-Comp 2023）在匈牙利召開。上海建工集團工程研究總院數字化建造研究室主任左自波，受邀在會上作題為《大尺度3D打印建筑（Large-scale 3D printing of buildings）》的演講，從戰略意義、打印工藝、打印材料、打印裝備等方面分享了建筑3D打印關鍵技術，并以國內首個現場3D打印可居住可交付兩層建筑為案例介紹了3D打印自動化建造工程應用技術。

       左自波，1986年8月生，上海交通大學船建學院巖土工程碩士、根特大學工程與建筑學院土木工程在讀博士研究生，2013年4月參加工作�，F任上海建工集團工程研究總院數字化建造研究室主任，上海市科技專家庫專家，上海市增材制造協會專家委員會專家委員，上海市建筑學會數字建筑分會委員，同濟大學校外導師，上海理工大學碩士生導師，國際電氣電子工程師學會IEEE會員，JOM等多個SCI期刊審稿人。主持或參與了上海建工3D打印科技試驗樓等30余項工程的建設或策劃。主持或參與完成國家級及上海市科研項目10余項。曾入選上海市科技啟明星計劃、飛翔計劃。

     CIVIL-COMP國際會議致力于推動土木建筑行業與計算機信息技術的深度融合，1983年首次召開，40年來已在倫敦、布拉格、愛丁堡、里斯本、馬德拉群島、維也納、那不勒斯、蒙彼利埃、加爾達湖濱、豐沙爾、雅典、羅馬、布達佩斯、魯汶、卡利亞里、哈尼亞、杜布羅夫尼克、阿雅克肖、巴倫西亞、拉斯帕爾馬斯等城市成功舉辦。

      本次國際會議由歐洲最古老的大學之一匈牙利佩奇大學（創建于1367年）承辦，會議設置15個分會場，來自29個國家的近110個學者分享了報告。出席本次會議并發表演講的中國專家學者還有歐洲科學與藝術院院士、同濟大學袁勇教授，中國工程院院士、重慶大學楊永斌教授等。
以下是左自波演講的主要內容：

大尺度3D打印建筑

      根據國家工信部定義，3D打�。ɑ蛟霾闹圃欤┦且詳底帜Ｐ蜑榛�礎，將材料逐層堆積制造出實體物品的顛覆性技術，將對傳統的工藝流程、生產線、工廠模式和產業鏈產生重大的影響。3D打印在建筑業的應用將引發行業發展理念和模式發生重大而深刻的變革。上海建工集團總工程師陳曉明說“在智能建造探索之路上，大尺寸3D打印建造是上海建工優先發展的技術方向”。

1、當前建筑業的形勢和發展趨勢

建筑業依然是國民經濟的支柱產業，在國家建設中發揮了極其重要作用。但是，隨著我國人口、經濟結構和城鎮化的發展，建筑業的發展速度不得不由高速發展回歸于理性、趨于平穩良性發展，建筑業發展模式不得不由傳統粗放模式轉向高質量轉型發展。

為加快推動建筑業轉型升級、促進建筑業高質量發展，2020年7月，國家住建部等13個部門聯合印發了《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》，2022年10月，住建部選定24個城市開展智能建造試點，把智能建造的需求推向了新的高度。

2、發展3D打印的戰略意義

3D打印作為智能建造的重要方向之一，是促進建筑業轉型升級、實現高質量發展的一種重要手段，是追求舒適工作環境的必然選擇。3D打印的出現，為建筑業的轉型發展提供了新的契機。

發展3D打印是擁抱新一代信息化技術、順應國際潮流提升我國建筑業國際競爭力的必然之舉。近年來國內外發布了《德國工業4.0計劃》《中國制造2025》《先進制造業美國領導力戰略》等綱領性文件都把3D打印技術作為本國優先發展的國家戰略，美國、中國將一些3D打印列為限制性出口技術。

在經濟新常態下建筑業亟需快速調整戰略規劃、尋找新的核心技術作為行業發展的新增長點，3D打印等新興技術有望引領建筑業全面轉型升級的前沿賽道，市場巨大。3D打印還能夠改變工程建造的產業鏈，與其他產業融通發展空間廣闊。

3、我們為什么選擇3D打印

建筑3D打印是從1:1模型到裝備、可以無人干預的自動加工建筑產品的顛覆性技術。

3D打印原理

當前階段無論是3D打印還是機器人，建筑行業人力成本遠遠低于機器的綜合成本，當未來人力成本高于機器的綜合成本，行業將沒有選擇、不得不使用這些自動化技術。

人力成本高于機器的綜合成本時不得不選擇3D打印等

2014年，3D打印一些核心專利到期，自此之后引起各行各業更加廣泛關注，得到了快速發展；作為自動化、信息化程度相對不高的建筑行業，更需要擁抱這一類技術。

3D打印受到各行各業高度關注

4、建筑3D打印關鍵技術

3D打印工藝

目前常用的建筑3D打印工藝包括材料擠出、粘合劑噴射、直接能量沉積和熔融沉積（FDM）。材料擠出是指通過3D打印設備的噴嘴選擇性地擠出材料；粘合劑噴射是指通過3D打印設備選擇性地噴射液體粘合劑和粘結粉末材料；直接能量沉積是指通過3D打印設備聚集熱能熔化材料后逐層沉積；熔融沉積是指通過3D打印設備噴頭加熱熔化材料后擠壓堆積凝固成型。

建筑3D打印常用工藝

材料擠出在建筑3D打印工藝應用中占比最高，其次是熔融沉積，最后是粘合劑噴射和直接能量沉積。

3D打印材料



     材料擠出所使用的材料有混凝土、泡沫、復合粘土、輕質石材、玄武巖及生物塑料等；熔融沉積所使用的材料為熱塑塑料、樹脂和工程塑料等聚合物；粘合劑噴射所使用的材料為砂或石等及膠合劑；直接能量沉積所使用的材料為不銹鋼。建筑3D打印材料主要使用混凝土和聚合物，其次是金屬和砂及粘合劑。

建筑3D打印常用材料

3D打印裝備


建筑3D打印裝備根據結構類型劃分，常用的類型包括機械臂、龍門式、桁架式和塔式4類。龍門式更適合室內打印，機械臂和桁架式適用于現場或室內打印，塔式更適合現場打印。

建筑3D打印常用裝備

5、建筑3D打印發展的技術路線


建筑3D打印發展的技術路線可概括3個階段：

第1階段，將3D打印應用于打印模板及節點和異形非承重結構。例如，通過打印復雜鋼結構節點模具進行鑄造，得到鋼結構節點，也可直接打印鋼結構節點；通過打印異形結構模板進行澆筑，實現異形結構建造。也可將3D打印直接應用于裝飾結構和景觀結構等異形非承重結構的建造。

第2階段，將3D打印應用于打印輕質承重結構。豎向功能構件和水平輕質構件，構件打印完成后進行現場裝配，完成建（構）筑物的建造。豎向功能構件包括輕質墻體、保溫隔熱墻體和異形輕質柱等；水平輕質構件包括輕質拓撲優化梁、輕質板等，水平結構打印通常采用打印構件加組裝或預應力張拉的方式，金屬打印采用一次打印的方式。

第3階段，將3D打印直接用于異形房屋、異形建（構）筑物的現場或整體打印。依次用于低層、多層、高層和超高層3D打印的建（構）筑物，隨著3D打印技術的發展，3D打印將從異形個性化建（構）筑物的打印建造向通用建（構）筑物的打印建造發展。

建筑3D打印發展技術路線

6、上海建工對建筑3D打印技術的研究與工程實踐

多年來，上海建工集團以及旗下工程研究總院、建材科技集團、機施集團、五建集團、園林集團等依托多項國家級重大科研項目課題，致力于高分子材料及高性能混凝土材料3D打印工藝、裝備和材料等方面的深入研究和工程實踐。

在科研項目方面，主持完成了國家重點研發計劃項目“建筑工程現場工業化建造集成平臺與裝備關鍵技術開發（課題6為3D打�。�”“面向建筑行業典型應用的機器人關鍵技術與系統（課題3為3D打�。�”“城鎮建筑垃圾智能精細分選與升級利用技術（課題3涉及3D打�。�”和上海市科研項目“建筑工程現場3D打印建造關鍵技術研究”等研發，多項成果達到國際先進水平。

在3D打印裝備方面，研發出超大型高分子材料3D打印裝備（25米×4米×2.5米）和大型混凝土3D打印移動平臺（6米×2.4米×2.6米）。

在3D打印工藝方面，創新研發了適合建筑工程現場3D打印建造的工藝；首創研發了框架+磚混+疊合板3D打印建筑結構及工藝，解決自由化設計和交付使用難題；研發了超大尺度3D打印成型成套工藝。

在3D打印材料方面，研發了高分子材料制備及自動化輸送技術，研發出高性能混凝土3D打印材料及輸送技術。

在3D打印重大工程方面，牽頭完成了中國首座高分子3D打印橋普陀橋（15m）、泉州3D打印橋（17.5m）、世界上最長3D打印橋成都橋（3D打印部分長21.58m）、中國首個現場3D打印可交付二層建筑等工程的建造。

中國首個現場3D打印可交付二層建筑

世界上最長的3D打印橋位于成都驛馬河公園內

7、3D打印在建筑工程的應用效果和優勢


設計靈活創意增加：幾何自由，復雜結構的3D可視化、個性按需定制；

機械化自動化程度高、安全高效：最大限度地改善作業環境，大幅度降低勞動強度，減少高風險、高強度現場作業人員50%以上；

材料效率高：無模板（節約材料30%），實體可優化為空心結構（節約材料50%）；

智能化運維：3D設計模型可直接用于運維，打印嵌入傳感，可實現智能化運營維護；

綠色環保：無污染，減少碳排放。

上海建工將繼續積極探索新型設計和施工方式，為智能建造和精益建造提供新的范式，促進建筑業轉型發展。


來源：上海建工

導讀：近日，第十七屆土木、結構和環境工程計算國際會議（Civil-Comp 2023）在匈牙利召開。上海建工集團工程研究總院數字化建造研究室主任左自波，受邀在會上作題為《大尺度3D打印建筑（Large-scale 3D printing of buildings）》的演講，從戰略意義、打印工藝、打印材料、打印裝備等方面分享了建筑3D打印關鍵技術，并以國內首個現場3D打印可居住可交付兩層建筑為案例介紹了3D打印自動化建造工程應用技術。

       左自波，1986年8月生，上海交通大學船建學院巖土工程碩士、根特大學工程與建筑學院土木工程在讀博士研究生，2013年4月參加工作�，F任上海建工集團工程研究總院數字化建造研究室主任，上海市科技專家庫專家，上海市增材制造協會專家委員會專家委員，上海市建筑學會數字建筑分會委員，同濟大學校外導師，上海理工大學碩士生導師，國際電氣電子工程師學會IEEE會員，JOM等多個SCI期刊審稿人。主持或參與了上海建工3D打印科技試驗樓等30余項工程的建設或策劃。主持或參與完成國家級及上海市科研項目10余項。曾入選上海市科技啟明星計劃、飛翔計劃。

     CIVIL-COMP國際會議致力于推動土木建筑行業與計算機信息技術的深度融合，1983年首次召開，40年來已在倫敦、布拉格、愛丁堡、里斯本、馬德拉群島、維也納、那不勒斯、蒙彼利埃、加爾達湖濱、豐沙爾、雅典、羅馬、布達佩斯、魯汶、卡利亞里、哈尼亞、杜布羅夫尼克、阿雅克肖、巴倫西亞、拉斯帕爾馬斯等城市成功舉辦。

      本次國際會議由歐洲最古老的大學之一匈牙利佩奇大學（創建于1367年）承辦，會議設置15個分會場，來自29個國家的近110個學者分享了報告。出席本次會議并發表演講的中國專家學者還有歐洲科學與藝術院院士、同濟大學袁勇教授，中國工程院院士、重慶大學楊永斌教授等。
以下是左自波演講的主要內容：

大尺度3D打印建筑

      根據國家工信部定義，3D打�。ɑ蛟霾闹圃欤┦且詳底帜Ｐ蜑榛�礎，將材料逐層堆積制造出實體物品的顛覆性技術，將對傳統的工藝流程、生產線、工廠模式和產業鏈產生重大的影響。3D打印在建筑業的應用將引發行業發展理念和模式發生重大而深刻的變革。上海建工集團總工程師陳曉明說“在智能建造探索之路上，大尺寸3D打印建造是上海建工優先發展的技術方向”。

1、當前建筑業的形勢和發展趨勢

建筑業依然是國民經濟的支柱產業，在國家建設中發揮了極其重要作用。但是，隨著我國人口、經濟結構和城鎮化的發展，建筑業的發展速度不得不由高速發展回歸于理性、趨于平穩良性發展，建筑業發展模式不得不由傳統粗放模式轉向高質量轉型發展。

為加快推動建筑業轉型升級、促進建筑業高質量發展，2020年7月，國家住建部等13個部門聯合印發了《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》，2022年10月，住建部選定24個城市開展智能建造試點，把智能建造的需求推向了新的高度。

2、發展3D打印的戰略意義

3D打印作為智能建造的重要方向之一，是促進建筑業轉型升級、實現高質量發展的一種重要手段，是追求舒適工作環境的必然選擇。3D打印的出現，為建筑業的轉型發展提供了新的契機。

發展3D打印是擁抱新一代信息化技術、順應國際潮流提升我國建筑業國際競爭力的必然之舉。近年來國內外發布了《德國工業4.0計劃》《中國制造2025》《先進制造業美國領導力戰略》等綱領性文件都把3D打印技術作為本國優先發展的國家戰略，美國、中國將一些3D打印列為限制性出口技術。

在經濟新常態下建筑業亟需快速調整戰略規劃、尋找新的核心技術作為行業發展的新增長點，3D打印等新興技術有望引領建筑業全面轉型升級的前沿賽道，市場巨大。3D打印還能夠改變工程建造的產業鏈，與其他產業融通發展空間廣闊。

3、我們為什么選擇3D打印

建筑3D打印是從1:1模型到裝備、可以無人干預的自動加工建筑產品的顛覆性技術。

3D打印原理

當前階段無論是3D打印還是機器人，建筑行業人力成本遠遠低于機器的綜合成本，當未來人力成本高于機器的綜合成本，行業將沒有選擇、不得不使用這些自動化技術。

人力成本高于機器的綜合成本時不得不選擇3D打印等

2014年，3D打印一些核心專利到期，自此之后引起各行各業更加廣泛關注，得到了快速發展；作為自動化、信息化程度相對不高的建筑行業，更需要擁抱這一類技術。

3D打印受到各行各業高度關注

4、建筑3D打印關鍵技術

3D打印工藝

目前常用的建筑3D打印工藝包括材料擠出、粘合劑噴射、直接能量沉積和熔融沉積（FDM）。材料擠出是指通過3D打印設備的噴嘴選擇性地擠出材料；粘合劑噴射是指通過3D打印設備選擇性地噴射液體粘合劑和粘結粉末材料；直接能量沉積是指通過3D打印設備聚集熱能熔化材料后逐層沉積；熔融沉積是指通過3D打印設備噴頭加熱熔化材料后擠壓堆積凝固成型。

建筑3D打印常用工藝

材料擠出在建筑3D打印工藝應用中占比最高，其次是熔融沉積，最后是粘合劑噴射和直接能量沉積。

3D打印材料



     材料擠出所使用的材料有混凝土、泡沫、復合粘土、輕質石材、玄武巖及生物塑料等；熔融沉積所使用的材料為熱塑塑料、樹脂和工程塑料等聚合物；粘合劑噴射所使用的材料為砂或石等及膠合劑；直接能量沉積所使用的材料為不銹鋼。建筑3D打印材料主要使用混凝土和聚合物，其次是金屬和砂及粘合劑。

建筑3D打印常用材料

3D打印裝備


建筑3D打印裝備根據結構類型劃分，常用的類型包括機械臂、龍門式、桁架式和塔式4類。龍門式更適合室內打印，機械臂和桁架式適用于現場或室內打印，塔式更適合現場打印。

建筑3D打印常用裝備

5、建筑3D打印發展的技術路線


建筑3D打印發展的技術路線可概括3個階段：

第1階段，將3D打印應用于打印模板及節點和異形非承重結構。例如，通過打印復雜鋼結構節點模具進行鑄造，得到鋼結構節點，也可直接打印鋼結構節點；通過打印異形結構模板進行澆筑，實現異形結構建造。也可將3D打印直接應用于裝飾結構和景觀結構等異形非承重結構的建造。

第2階段，將3D打印應用于打印輕質承重結構。豎向功能構件和水平輕質構件，構件打印完成后進行現場裝配，完成建（構）筑物的建造。豎向功能構件包括輕質墻體、保溫隔熱墻體和異形輕質柱等；水平輕質構件包括輕質拓撲優化梁、輕質板等，水平結構打印通常采用打印構件加組裝或預應力張拉的方式，金屬打印采用一次打印的方式。

第3階段，將3D打印直接用于異形房屋、異形建（構）筑物的現場或整體打印。依次用于低層、多層、高層和超高層3D打印的建（構）筑物，隨著3D打印技術的發展，3D打印將從異形個性化建（構）筑物的打印建造向通用建（構）筑物的打印建造發展。

建筑3D打印發展技術路線

6、上海建工對建筑3D打印技術的研究與工程實踐

多年來，上海建工集團以及旗下工程研究總院、建材科技集團、機施集團、五建集團、園林集團等依托多項國家級重大科研項目課題，致力于高分子材料及高性能混凝土材料3D打印工藝、裝備和材料等方面的深入研究和工程實踐。

在科研項目方面，主持完成了國家重點研發計劃項目“建筑工程現場工業化建造集成平臺與裝備關鍵技術開發（課題6為3D打�。�”“面向建筑行業典型應用的機器人關鍵技術與系統（課題3為3D打�。�”“城鎮建筑垃圾智能精細分選與升級利用技術（課題3涉及3D打�。�”和上海市科研項目“建筑工程現場3D打印建造關鍵技術研究”等研發，多項成果達到國際先進水平。

在3D打印裝備方面，研發出超大型高分子材料3D打印裝備（25米×4米×2.5米）和大型混凝土3D打印移動平臺（6米×2.4米×2.6米）。

在3D打印工藝方面，創新研發了適合建筑工程現場3D打印建造的工藝；首創研發了框架+磚混+疊合板3D打印建筑結構及工藝，解決自由化設計和交付使用難題；研發了超大尺度3D打印成型成套工藝。

在3D打印材料方面，研發了高分子材料制備及自動化輸送技術，研發出高性能混凝土3D打印材料及輸送技術。

在3D打印重大工程方面，牽頭完成了中國首座高分子3D打印橋普陀橋（15m）、泉州3D打印橋（17.5m）、世界上最長3D打印橋成都橋（3D打印部分長21.58m）、中國首個現場3D打印可交付二層建筑等工程的建造。

中國首個現場3D打印可交付二層建筑

世界上最長的3D打印橋位于成都驛馬河公園內

7、3D打印在建筑工程的應用效果和優勢


設計靈活創意增加：幾何自由，復雜結構的3D可視化、個性按需定制；

機械化自動化程度高、安全高效：最大限度地改善作業環境，大幅度降低勞動強度，減少高風險、高強度現場作業人員50%以上；

材料效率高：無模板（節約材料30%），實體可優化為空心結構（節約材料50%）；

智能化運維：3D設計模型可直接用于運維，打印嵌入傳感，可實現智能化運營維護；

綠色環保：無污染，減少碳排放。

上海建工將繼續積極探索新型設計和施工方式，為智能建造和精益建造提供新的范式，促進建筑業轉型發展。


來源：上海建工