多元参与视角下我国建筑3D打印研究应用综述

李德智， 陈铮一， 钟健雄

(1. 东南大学 土木工程学院， 江苏 南京 211189； 2. 新加坡国立大学 环境设计学院， 新加坡 119077)

建筑3D打印被定义为利用打印喷嘴对可凝固建筑材料进行选择性分层叠加的一种建造方法[1]，是一种融合了建筑设计、计算机、机器人、材料等多学科的新兴建造技术，有着提高资源利用率、提升建造效率、降低垃圾废弃物排放、满足定制化设计等现实意义[2]。1995年美国学者Pegna提出利用蒸汽喷射粘结剂选择性粘结砂石，从而层层打印，被视为建筑3D打印的先驱[2]。经过20多年的发展，国外的建筑3D打印技术已经形成了三类成熟的典型工艺：第一类为2004年美国南加州大学Behrohk Khoshnevis教授发明的“轮廓工艺”打印技术[3]；第二类为2005年意大利发明家Enrico Dini设计的“D-Shape”工艺；第三类为2008年英国拉夫堡大学Richard Buswell团队发明的3D混凝土打印技术[4]。除技术成果之外，国外科研机构在理论研究方面也形成了丰富的成果，涵括了建筑3D打印的现状综述[5,6]、打印工艺的可行性论证[7]以及推动行业发展的概念框架[8]等各类领域。在战略政策领域，国外政府部门同样有着较为领先的经验，如2014年美国航天局出资与南加州大学合作，计划在月球上利用“轮廓工艺”为航天员打造必要的建筑设施[9]；2016年沙特阿拉伯发布了《迪拜3D打印战略》，这也是建筑3D打印领域的首个国家级战略，旨在到2025年为止，实现利用3D打印技术完成迪拜25%的房屋建造，并将迪拜打造成为世界建筑3D打印中心[10]。 近年来，我国社会各界也同样对建筑3D打印进行了丰富的理论研究与实践探索，产出了涵括各类维度的研究成果。本文从科研院所、政府部门和市场机构等多元主体参与的视角出发，全面梳理我国建筑3D打印相关的前述研究成果现状，剖析我国建筑3D打印领域存在的不足，提出促进我国建筑3D打印健康可持续发展的对策建议。

1 我国科研院所主导的建筑3D打印研究现状

1.1 建筑3D打印领域主流科研院所

科研院所作为国家创新体系的重要体系，在建筑3D打印领域担任着重要的先锋角色，其中同济大学、清华大学及华中科技大学等科研院所组成了目前主流的研究队伍(表1)，其具备三大基本要素：(1)厚实的专业基础，尤其在建筑设计、土木工程、计算机科学以及材料科学等相关学科上占据绝对优势；(2)强大的资源支持，用以应对现今建筑3D打印的商业化程度较为落后、缺乏可观的利润回报等困境；(3)国际化的领先视野，工作营、研习班以及国际会议等形式的活动成为主流梯队积极谋求国际经验交流的核心策略。

表1 我国建筑3D打印领域的主流科研院所

1.2 建筑3D打印理论类研究

在理论研究领域，科研院所的研究成果最为丰富，涵括从发展综述、打印技术分析、成本计算以及发展路线等各方面。首先对国内外建筑3D打印的发展综述是一个热点，相关研究成果较多[11～17]包括引介“D型工艺(D-shape)”“轮廓工艺(Contour Crafting)”“混凝土打印(Concrete Printing)”等建筑3D打印的典型工艺，介绍荷兰、英国、美国等发达国家的建筑3D打印具体案例，总结国内其他高校团队的建筑3D打印效果科研成果，以及阐述上海盈创、万科等市场机构的产业化路径等。

另一部学者的理论研究侧重于打印技术。在打印材料方面，马敬畏等[15～17]针对混凝土材料，介绍了其在原料、配合比设计以及施工工艺等各方面的应用现状，并对混凝土打印的发展趋势提出了展望，任常在等[18]利用多物理场耦合软件对不同水灰比下浆体喷出速度及质量的影响规律进行了仿真计算，分析了打印材料的最佳水灰比，雷斌等[19]基于计算机优化技术为3D打印混凝土提出了较为完善的配合比设计体系；在打印工艺研究方面，李荣帅[20,21]探讨了利用微分演化算法改进打印喷头路径，设置单轴导轨以及自爬功能装置对于提升打印效率、改进打印工艺的理论价值，王丽萍等[22,23]通过分别跟踪3D打印多层建筑与3D打印别墅两个具体项目的施工流程，从基层表面处理、墙体构件吊装等方面分析了在实际施工中建筑3D打印的具体方法与难点，朱彬荣等[24]提出了预留孔道以张拉预应力筋和在结构层间打印薄树脂以提高层间粘结强度和韧性的两种工艺改进措施；在建筑设计方面，袁锋等[25,26]探讨了建筑3D模型以及参数化算法对于设计的影响，探讨了运用参数化软件跨越多学科基础门槛，提升定制化建造的可行性。

还有一些学者关注建筑3D打印的成本计算。如Ling等[27]建议将建筑物结构部分和建筑物填充材料部分分开，列出预制构件进行成本计算，Yang等[28]则指出3D打印建筑具备工业产品和建筑产品的双重属性，因而其成本计算应兼顾两类产品的不同计算规则。

另有小部分学者探讨了未来建筑3D打印的发展方向。肖绪文等[29]提出了基本延续、部分延续以及完全突破传统方式的三种技术发展方向，其划分核心为建筑3D打印颠覆传统建筑方式的程度大小；程碧华等[30]以打印方式为划分依据，提出了全尺寸打印、分段打印后装配以及群组机器人打印的三种发展路线。

1.3 建筑3D打印技术类研究

受限于研发成本与实验场所面积，科研院所在技术类研究领域的成果与理论类相比较为薄弱。技术类研究主要由打印材料、打印设备和打印软件系统三部分组织，打印材料因其成本门槛较低，成为科研院所最为普遍的研究对象，部分打印材料研究成果如表2所示。

表2 我国科研院所的部分建筑3D打印材料研究

打印软硬件设备的研发门槛较高，相关的研究大多由上述主流梯队成员所承担：华中科技大学的丁烈云院士等[4]自主研发了一种包含旋转拨盘、底板、导轨以及滑块动片四部分的打印喷头，提升了出料速度；清华大学的徐卫国教授[38]自主研发了由数字建筑设计、打印路径生成、操作控制系统、打印机前端、混凝土材料等创新技术集成的混凝土3D打印系统技术，打印出了混凝土桥梁；同济大学的“数字设计研究中心”为教育部重点实验室“高密度人居环境生态与节能”的重要组成部分，可以完成对建筑模型一体化加工、机械臂铣削等工具端的测试[39]；中国建筑技术中心则自主研发了工业级的大型建筑3D打印机，有效滑动范围为长12 m、宽6 m、高5 m，可以满足小型房屋、墙体构建和景观部品的打印。

2 我国市场机构主导的建筑3D打印现状

2.1 建筑3D打印领域的主流市场机构

尽管建筑3D打印在国内的发展历史较短，但是市场机构的主流梯队也已逐渐形成，考虑到企业信息网页化、新闻化的存在模式，本文通过网络爬虫软件的检索与归纳，将其汇总如表3所示，基本上具有较早的起步时间、坚实的资源支持、丰富的媒介宣传等特点。

表3 我国建筑3D打印领域的主流市场机构

2.2 建筑3D打印技术研究

对于有能力完成实现建筑3D打印产品的市场机构而言，其已具备了包含打印软硬件及材料在内的完整打印能力。与科研院所的侧重不同，软硬件设备相对于打印材料在市场机构之中的舆论放大效应更为明显，因而与其相关的信息披露更加丰富，部分打印技术研究成果如表4所示。

2.3 建筑3D打印应用研究

在表4所披露的技术能力基础上，市场机构开展了丰富的建筑3D打印应用研究，包含打印产品应用以及产学研应用两大方面，如表5所示。

表4 我国市场机构的部分建筑3D打印技术研究

表5 我国建筑3D打印的部分产品研究

3 我国政府部门主导的建筑3D打印现状

3.1 政策标准研究

近年来，3D打印产业作为第三次工业革命的重要标志之一引起了我国中央政府的高度重视，各级政府部分陆续出台了制度、财政、教育等方面的扶持政策，但是囿于打印技术的不成熟以及较低的社会认可度，针对建筑3D打印领域的具体政策推进进程相对缓慢，通常只在增材制造和装配式建造的相关政策中被提及，某种程度上还是围绕装配式建筑所进行的深度推广，而非真正服务于建筑3D打印的扶持政策，部分相关政策如表6所示。

表6 我国建筑3D打印的相关政策研究

3.2 政企合作实践

新型技术产业的投资数额通常较大，投资回收期限较长，普通市场机构往往难以承担过高的资本风险，在某种成程度上这也限制了技术产业自身的发展。对于有潜力的技术创新领域，政府一直积极扮演推进者的角色，与市场机构建立各类合作关系，分担风险的同时，利用自身的经济及政策优势探索当地建筑产业转型升级的可行性，部分地方政府与企业在建筑3D打印领域的合作实践如表7所示。

表7 我国建筑3D打印的部分政企合作实践研究

4 我国建筑3D打印发展存在的不足

依赖于较早的起步时间和强大技术资金优势，国外建筑3D打印产业已经逐渐由初期探索阶段逐渐迈入稳定成熟阶段，而纵观前述我国建筑3D打印技术的理论研究和实践探索可以发现，我国科研院所、市场机构以及政府部门已经取得了一定的成果，但与国外相比我国的建筑3D打印产业尚处在追赶国外先进技术的发展初期，还存在以下不足：

(1)科研院所研究成果局限性较大。1)研究团队尚未成熟，主流的科研院所研究梯队尚处在摸索阶段，其他非主流高校则更鲜有显著的建筑3D打印技术成果，此外针对建筑3D打印领域的专项基金项目以及社会合作匮乏，这也成为了拉开与国外高校间研发动力差距的关键因素；2)理论研究缺乏论证，尽管我国科研院所的理论成果丰富，但由于缺乏与市场机构合作的项目实证，导致这类成果的落地性有待考证；3)打印技术落地性不强，以打印设备为例，受限于实验室小规模化的生产条件，试验过程通常无法完全模拟实际的施工工艺与预算规划，限制了与市场接轨的可能性。

(2)市场机构核心竞争力较弱。1)打印工艺方面，国内市场机构大多局限于依托或仿造国外的“轮廓工艺”技术，导致打印工艺类型单一且缺乏原创性，与国外相比，金属打印、移动式打印等新型工艺研发稀缺；2)打印软件方面，国内市场机构大多依赖于国外专有软件的拼接运作，而实际打印过程中建模软件、图像脚本软件以及数控软件之间的接口往往会存在断层，信息无法完成无缝传递[40]；3)在行业发展方面，市场机构间的信息不对称严重，缺乏企业间的合作交流且往往自成体系，不利于行业的资源利用与整体发展。

(3)政府部门扶持力度不足。1)针对建筑3D打印行业的相关政策标准匮乏，在我国乃至国际上还未有具备执行力的相关行业规范，使相关实践项目的各方责任不明确，各项审核验收难以执行[30]，这也致使建筑3D打印产业缺乏足够的社会认可度与社会资本涌入，进而阻碍了其市场化进程的推进。2)政企的合作深度与广度欠缺，在深度方面，政企合作级别仅停留在地方政府阶段，缺乏诸如迪拜、美国等国家级政府的强有力推动，滞缓了建筑3D打印的普及速度；在广度方面，政府青睐与龙头企业合作，导致合作对象单一，易加深市场结构分化。

(4)多元参与合作度较低。1)参与模式固化，我国建筑业围绕着传统建造技术早已形成了相当完整的工业体系和产业链[40]，同时作为传统的建筑业大国，国内建筑业的各参与主体更青睐于保守稳重的作风，倾向于选择安全性更高的传统建造方式，尤其在面临建筑工程资金庞大、政策法规未知的风险下，突破现有的固化思想难度较大；2)参与主体之间的合作还在探索阶段，还局限于政企、校企、校政等两两主体之间的浅层探讨，在建筑3D打印产业之中尚未形成具备影响力的多方合作联盟，导致科研院所、市场机构及政府部分之间的资源整合欠缺，局限了产业资源利用的最大化。

5 结论与建议

作为一种信息化时代的新兴建造技术，建筑3D打印是促进我国建筑业转型升级的有效抓手，具有重要的研究价值和广阔的应用前景。目前，我国科研院所、市场机构、政府部门等多元主体积极参与，在建筑3D打印的材料、打印机、性能检测设备和方法、产业化应用等方面有所突破，但是总体上尚处于起步阶段，面临科研院所研究成果局限性大、市场机构核心竞争力较弱、政府部门扶持力度不足、多元参与合作度较低等问题。因此，建议从多元参与的视角出发，着力采取以下三个方面的措施，推进建筑3D打印在我国的健康可持续发展：

(1)整合多方资源，完善打印技术与理论。政府部门应加强引导参与主体的积极性，市场机构、科研院所应着力推动建筑3D打印的技术进步，各司其职实现参与主体之间的资源共享与项目共担，研发性能更为完善的新型材料或配比方案，突破软硬件兼容性瓶颈，同时注重复合型人才的培养和科研队伍建设，以丰富的实践基础论证技术理论可行性，从而实现理论与实践的结合。

(2)吸纳受众需求，出台产业标准与政策。借鉴国外政府对于建筑3D打印产业的扶持举措，我国相关政府部门应通过实际走访、举办听证会等手段广泛吸纳科研院所与市场机构的发展需求，以“循序渐进、鼓励创新”[21]为原则，切实制定适应国情的技术标准，推动建筑3D打印产业的合法化与参与主体行为的规范化，还应利用合适的政策手段建立健康的利益协调机制，保护知识产权，对于从事建筑3D打印研究的相关科研院所或市场机构予以政策扶持，尝试以基金扶持、贷款优惠等方式鼓励和引导建筑业参与主体勇于突破固有的工业模式。

(3)坚定理性过渡，协同多元合作与发展。鉴于传统建筑工业链的固化模式与各类风险，参与主体应该坚持理性地寻求由传统建造方式向建筑3D打印的稳定过渡，在过渡转型初期应该接受并鼓励与传统建造模式的协同发展，重新协调参与主体间的利益关系，为新型工业链的形成奠定稳固基础。另一方面，建筑3D打印产业应该积极推动由政府引导、企业牵头、高校支持的产学研政联盟建立，以更为专业、密切的形态，实现对社会各方资源的有效整合，为建筑3D打印技术的发展提供高质量的多元协同发展。