混凝土3D 打印技术与装配式施工相结合的施工模式分析——从农村基础设施建设的视角

陈冬杰 向鹏鹏 张震

(新疆理工学院机电工程学院)

随着经济和技术的不断革新，全世界各个国家的城镇化水平都在稳步提升。但是依然有很多国家和地区的人民生活在偏远和贫困的农村地区。以我国为例，随着改革开放和城市更新改造项目的实施，我国城镇化水平持续上升[1]。但是，我国人口基数大，截至2022 年底，农村人口占比依然达到42%。农业、农村、农民问题是关系国计民生的根本性问题，我国在2017 年正式提出乡村振兴战略以改善农村地区人民的生活水平[2,3]。农村基础设施的建设对农村地区人民的生活起到举足轻重的作用[4-6]，建设农村地区基础设施是乡村振兴战略中最为关键的内容之一。农村基础设施建设项目包含范围广阔，从基本的住房需求，到饮水供电项目、交通项目，以及休闲娱乐等项目都属于农村基础设施[7]。

现有的农村地区基础设施建设模式以传统的现场施工为主。如何找到一种快速、安全和有效的建设农村地区基础设施项目的建设方案或者新模式，一直困扰各地相关政府部门。本文探索使用先进的建造方法（3D 打印技术）和理念（装配式施工理念），来改进现有的建设模式，从而更好推动农村地区基础设施项目建设。随着各种新型技术的不断发明，建设行业的发展也已经朝着信息化、数字化和智能化的方向迈进[8]。但是由于建设领域自身的特点：项目分布范围广、实施周期长、投资大等，不管是在技术方面，还是在组织管理方面，建设领域开展数字化建造都相对缓慢和困难[9]。其中3D 混凝土打印（3DCP）技术，因其具有建设工期短、建材损耗少、零废料等优点[10-12]，引起了建设领域的关注，得到了很多专家和学者的重视和认可。同时，因3DCP 技术具有原型设计、无模具、高灵活性等优点[13-15]，使其非常适合于异形建筑。

3D 打印技术和装配式施工都因具有较好的优势，被越来越多的领域和项目认可和使用。所以为了实现农村地区基础设施建设项目的可持续性和韧性，本文提出了使用3D 打印技术和装配建造（3DP-PC）相结合的建造新模式。深入分析3DP-PC 与传统施工的不同。对3DP-PC 模式在农村地区的适用项目特点、适用的施工环境以及具体的项目类型进行了讨论。为农村地区基础设施建设提供新的思路，同时也推动3DCP 在实际工程中的应用，加速我国数字化建造的进程。更为重要的是，为改善世界贫困地区和干旱地区人民的生活水平提供一种高效的方案。

1.研究理论及方法

1.1 3D 混凝土打印

3D 打印技术（3D Printing Technology），又称为增材制造（Additive Manufacturing）[16]，是一种新兴的制造技术[17]。与传统制造技术相比，它最突出的特点是与数字模型的紧密结合，是一项真正有潜力做到“所想即所得（What you see is what you get)”的技术。在工程建造领域，企业和研究人员同样想把这项新技术应用到传统的建设中，为建筑业的发展和可持续提供新的解决思路[18]。本研究拟通过使用该技术，结合装配式施工理念，实现对农村地区基础设施项目的高效建造，提高相关利益方的效益。

1.2 装配式施工

建筑领域的装配式施工理念是先在工厂加工构件，比如柱子、梁、墙等，然后再运输到现场进行拼装的过程[19,20]。当然，也可以对整个建筑进行预制。装配式施工被认为是建筑领域工业化的一个重要标志，同时还包括机械化、自动化和机器人的使用等[21]。预制装配式施工作为一种可以取代现场施工的新模式，近年来受到了各国的广泛关注[22]。

由于装配式建筑的建造速度快，而且生产成本较低，迅速在世界各地推广开来。装配式施工的核心理念是工厂生产，现场直接进行安装。装配式具有以下的特点和优势：（1）大量的建筑部品由车间生产加工完成，构件种类包括:外墙板、内墙板、叠合板、阳台、空调板、楼梯、预制梁、预制柱等；（2）现场大量的装配作业，比原始现浇作业大大减少；（3）采用建筑、装修一体化设计、施工，理想状态是装修可随主体施工同步进行；（4）设计的标准化和管理的信息化，构件越标准，生产效率越高，相应的构件成本就会下降，配合工厂的数字化管理，整个装配式建筑的性价比会越来越高；（5）符合绿色建筑的要求；（6）节能环保。根据现有项目的实际测试，装配式建筑具有较大的节约资源的优势。本文拟通过3D 打印技术，在工厂进行构件打印后，对农村地区的基础设施建设项目进行现场装配式施工，以此来实现资源能源的优化和节约，促进可持续建设理念的发展。

1.3 对比分析

本文将3DP-PC 建造模式与传统的现场施工模式进行了对比分析。主要从施工模式、施工进度、施工成本、施工空间、施工安全和产品质量等多个角度对两者的区别进行了分析。如图1 是本文的研究路线图。本研究在一定程度上说明了3D 打印技术在农村基础设施施工过程的优势和不足，更为重要的是，为我国农村地区基础设施建设提供参考和思路，有效推动乡村振兴战略的实施。

图1 研究路线图

2.研究结果及讨论

2.1 3DP-PC 模式的特点

实现了专业化、工厂化和流程化建造。传统的现场施工需要把水泥、砂石骨料、钢筋和模板等材料直接运输到施工现场。然后由现场施工人员进行钢筋绑扎、支撑模板以及混凝土的浇筑和养护。如图2(a)为SC 的建造模式示意图。使用3DP-PC 的建造方法，是将打印材料和钢筋等先集中运输到工厂，通过3DCP 打印技术进行批量生产，最后从工厂运输组件到各个需求地点进行产品的整体拼装。图2(b)为3DP-PC 的建造模式示意图。由此可见，3DP-PC 模式集中人力、物力和财力，在工厂进行建造，实现了专业化、工厂化和流程化建造。当然，在农村地区选择合适的打印地点是非常重要的，本研究目前没有考虑打印工厂的选址问题。

图2 现场施工VS混凝土3D打印

实现了产品多样化设计、资源能源集中化生产。3DPPC 建设模式，第一步也是最为关键的一步是使用3DCP 技术对建筑构件进行集中打印，由于3D 打印技术的高度灵活性，使得可以设计和实现标准不一、规格多样的建筑部件，从而实现打印构件的多样性。同时，整个打印过程中以工厂化施工为主，能够集中资源进行施工，更好的实现节能减排目标和达到绿色施工的要求。

实现了设计施工一体化、组织管理规范化、施工管理数字化。使用计算机技术设计产品的三维图纸，然后由3D打印机完成构件打印，最后将建筑构件运输到现场进行装配式施工。通过3DP-PC 建造过程，从建筑三维设计到施工全部完成，实现了设计施工一体化。由于整个过程的核心是在工厂进行构件打印，所以在人员组织和人员管理方面，都会更加的规划和严格，同时可以增加一些视频监控设备，更好的为整个建设过程服务。从而实现了施工组织管理规范化和施工管理数字化与可视化。有效的提高了项目的质量和安全等效益。

实现了产品多样化设计、资源能源集中化生产。3DPPC 建设模式，第一步也是最为关键的一步是使用3DCP 技术对建筑构件进行集中打印，由于3D 打印技术的高度灵活性，使得可以设计和实现标准不一、规格多样的建筑部件，从而实现打印构件的多样性。同时，整个打印过程中以工厂化施工为主，能够集中资源进行施工，更好的实现节能减排目标和达到绿色施工的要求。

2.2 3DP-PC 模式适用情景分析

第一类是易地搬迁的房建类项目。这种项目多以低层建筑为主，所以现在的3D 打印技术已经完全能够满足施工要求，同时，农村易地搬迁项目范围广。第二类是蓄水池等蓄水供水类项目。第三类是厕所改造项目。这类项目都是有固定的规格和尺寸，使用3D 打印技术完成每个单元的打印，直接运输到居民家中，非常适合使用这种模式。第四类是沼气池等能源类项目。随着环境日益恶化，农村地区能源的使用也开始受到各方的关注。能源类项目多以异性结构，使之适合使用3D 打印技术。随着人工费越来越高，以及3D 打印设备和打印材料价格的下行，在未来，3D 打印技术与装配式等技术结合能够起到非常好的作用。尤其是农村地区劳动力不足、专业人才缺乏、现场施工组织困难等，使得3DP-PC 建造模式能够适用更多的农村基础设施项目。

2.3 类似项目案例分析

通过查阅现有资料，3D 打印技术在农村地区的应用相当广泛。比如宁夏银川全球首个百米整体现场3D 打印的农业大棚；河北唐山2020 年世界首个现场3D 打印厕所；清华大学徐卫国教授采用该技术在深圳宝安实现了3D 打印公园，是3D 打印混凝土新技术首次在全球的市政工程建设的实际应用。东南大学张亚梅教授在2021 年的3D 打印田头棚在浙江东阳乡村建设中成功应用。3D 打印还可以帮助农民制作工具原型，尤其是在一些非洲国家，目前也有大量的应用。

3.研究结论与展望

本研究提出集成混凝土3D 打印技术和装配式技术，形成一种新的农村地区基础设施项目建设模式，以此来解决贫困山区建造缓慢、质量差、成本高、安全风险高等问题。

（1）3DP-PC 建设模式能够提高施工效率，减少施工时间，这主要得益于该模式在空间上集中资源，形成了工业化成产，同时，引入先进的3D 打印技术，实现数字化和信息化生产。

（2）3DP-PC 建设模式在技术和经济上已经可以实现。由于3D 打印技术的快速发展，很多大型项目都逐步开始使用该技术。与传统的现场施工相比，能够有效的避免人员伤亡，大大降低了施工安全风险。

（3）在贫困山区实施3DP-PC 建设模式，能够集中管理，提高了对项目进度、成本和质量的控制，明确了各方责任和义务，更好的推动了项目的实施，能够高效高质量的推动扶贫项目的开展。

（4）结合3D 打印技术与装配式施工理念，能够较好的实现建设行业数字化、信息化、智能化和自动化建造。

一个新的技术，能够真正的被人们使用，对我们生活有所帮助，才能称得上是好的技术。随着互联网和信息化的不断发展，涌现出一批新型的技术和模式。以3D 打印技术为例，作为一门新的技术或者是不成熟的技术，在未来应该主要侧重以下几个方面：一是以资源节约和环境保护为前提；二是以实际应用为目的，切实解决人类需求；三是以工业化生产为核心，实现产业化；四是通过本研究可发现，3D 打印技术必须通过大型的建设项目来推动，真正的让他为建设领域服务，仅仅是小型的、示范性的项目还不足以体现其优越性。