我省3D建筑打印大有可为亟需加快产业培育

李洪文 国 栋 王 菲

(山东省工业和信息化研究院，山东 济南 250000)

1 产业发展具备三大优势

1.1 建造速度快，加快施工进度

3D建筑施工主要以打印设备自主工作为主，大幅降低了人力资源的使用和投入，研究表明，3D打印建筑较传统的施工工艺可缩短约60%的工期，减少约80%的劳动力。由于3D建筑打印不需要模具，整个工序具有一体化的特点，大大简化了施工环节，大幅提高了施工效率。

1.2 设计自由度高，有效降低施工难度

3D建筑打印的一大优势就是大大提升了建筑设计的自由度，能够完成传统建造方式不能实现的特殊建筑构件和产品，进而大幅降低了建筑施工的难度。

1.3 减少建筑垃圾和碳排放，提升施工的环保性

传统施工结束后会产生大量建筑垃圾和未得到有效利用的建材资源，3D建筑打印由于采用增材制造工艺，仅消耗预先配置的混凝土油墨，同时相当一部分油墨来自于废弃的固体建筑垃圾，从而达到资源循环利用和保护环境的目的。同时3D打印施工也会大幅减少传统施工出现的粉尘和建筑垃圾，有效减少建材、模板及机械设备的使用，提升施工环保性的同时有力减少碳排放。

2 产业发展面临三大机遇

2.1 契合新发展理念，获政策大力支持

3D建筑打印是有效应对建筑施工现场扬尘多、水泥等建材生产碳排放强度大、具备低碳环保绿色优势的建造方式。住建部、发改委等部门于2020年7月发布的《绿色建筑创建行动方案》，在绿色建筑设计标准、绿色建材使用及验收标准等方面提出了明确的标准要求；住建部于2021年印发的《绿色建造技术导则(试行)》，更是将绿色发展理念全程嵌入工程策划、设计、施工的全流程。

2.2 技术进步有力助推行业发展

3D建筑打印与BIM技术的结合，已成为建筑产业发展的重要组成战略，在设计领域产生了基于BIM的设计，在智能制造领域兴起了以BIM技术为基础的部品深化设计等热点，在智慧施工领域诞生了智慧工地、建筑机器人和造楼机等新颖热点。省内看，济南大学在3D建筑打印用混凝土方面的研究取得丰硕成果；齐鲁工业大学专注于3D建筑打印设备的研究，在基于DMC运动控制卡的水泥3D打印设备和基于水泥构件的3D打印控制系统的分析与设计方面开展了深入研究。

2.3 劳动力成本上涨，资源短缺日益突出

研究显示，2015—2019年在我国民工从事建筑业的占比分别为21.1%、19.7%、18.9%、18.6%、18.7%，呈持续下降走势，同时从事建筑业的劳动年龄人口结构不断升高，加之劳动力用工成本的不断攀升，传统建筑行业的发展遇到越来越多的阻碍。3D建筑打印所需劳动力很少，无疑解除了建筑业用工难的后顾之忧，从而为3D建筑打印行业的发展增添了力量。

3 产业发展面临三大挑战

3.1 缺少针对性工程应用研究

我省针对3D建筑打印方面的研究仍然零星分布在打印材料、工艺、设备等方面，打印成果缺少从实际工程应用场景出发的针对性的研究，很多研究和成果仅仅停留在实验室阶段，成果的落地性欠缺，使得理论研究与市场应用存在脱节，研究成果有所折扣。

3.2 3D建筑打印各环节研究欠缺协同性，产学研用一体化紧密型不强

产业目前还是局限在各自领域上搞单兵出击，缺少上下游、不同环节之间的协同和配合，高校、企业和科研团队之间信息不对称和交流不畅的情况也存在，这就导致3D建筑打印的研究自成一体，阻碍了技术的整合和总体发展。

3.3 技术储备不足，行业标准和规范仍不完善

截止2021年底，我省济南大学、齐鲁工业大学、青岛理工大学等机构共取得7项3D建筑打印方面的发明专利，从全国来看，仅河北工业大学一家就取得14项发明专利，排名前10的专利申请量中无一省内的机构，表明我省在这方面的研究力度和意愿均不强。另外还没有在国家和行业层面形成对建筑3D打印材料的性能测试方法及评价体系，省内也未承担有关标准规范的编制工作，大大阻碍了该行业的市场化进程，使得3D建筑打印技术难以吸引社会资本的进入。

4 促进产业快速健康发展的几点建议

4.1 科技助力，突破制约行业发展的关键技术难题

大力发展复合型绿色低碳型材料。依托省内济南大学等研究机构，重点开发各种高性能、超高性能的特种硫铝酸盐3D打印混凝土。积极探索各类纤维材料(金属纤维、聚合物纤维、玻璃纤维)对高性能3D打印混凝土的增强增韧改性、协同机理方面的研究。鼓励水泥企业、水泥制品企业大力发展尾矿、工业建筑固体废弃物再生骨料和辅助性胶凝材料加工产业，开发可拆卸、可多次重复使用、高性能的结构部件，最大限度降低水泥熟料的利用、提高3D打印混凝土的固废利用率水平。

集中攻克打印设备研发课题。大力研发模块化、便携式、可三维拓展、打印精度高的混凝土3D打印装备，研发3D打印混凝土构件配筋技术，积极开发适应不同纤维增强混凝土的挤出打印头，大力研发多任务协调打印以及施工中可智能控制的3D打印建造系统。

积极建设具有国内先进水平的科研基地和技术创新平台。借助具备科学研究优势的院校和重点实验室构建一流的基础科研服务平台，以企业为主体打造行业技术创新平台，大力研究开发高强度、高韧度、高抗裂性的3D打印混凝土材料及打印技术，加快培养造就国内著名的打印混凝土材料科研队伍。

4.2 生态融合，打造协同创新的产业链和产业生态

鼓励企业围绕产业链、生态圈开展兼并重组，做大做强。一方面鼓励省内有代表性、实力强的水泥企业和水泥制品企业因地制宜开展商业模式创新，跨地域跨产业扩张，不断延伸并壮大产业链条，积极切入3D打印混凝土业务，密切与建筑产业的融合，大力发展3D建筑打印产业。另一方面积极引进国内3D建筑打印方面的头部企业，加强与盈创科技、华商陆海等企业的招商合作力度，推动更多盈创梦工厂落地山东，吸引上下游关联企业集群发展，加快产业链上下游协同创新，共同培育3D建筑打印产业。

加快搭建以企业为主体、市场为导向、产学研用紧密结合的产业生态。鼓励和支持以省内水泥和水泥制品头部企业、骨干企业为支撑，在产业链上建立技术创新平台，鼓励开放式协同式创新。支持头部企业和科研院所建设开放型、学科交叉、上下游紧密互动的产学研用协同创新的新型科研机构和技术创新结合体，不断提高企业的技术创新能力和研发水平。

探索建立行业新科技产业投资基金。增强与资本市场的交流合作，在环保利废、绿色低碳、高性能材料等前沿新兴领域支持新技术和新产业的发展，在产业结构调整方面支持优势企业联合重组，推动高端制造和服务型制造发展，支持新型科研机构、行业互联网集采平台、混凝土艺术与文创平台等新业态的创新发展。

大力推进3D打印建筑产品的应用展示和示范。依托盈创梦工厂山东项目，加快推进3D打印创意创业园建设，集中展示3D打印凉亭、茶水台、垃圾分类点、警用执勤室、景观小品及柱体、景观墙、围栏、长椅、公园桌椅、花坛花池、景观灯筒、别墅小院等产品。 以优化绿色生态景观、健康环境功能为目标，探索组织召开3D打印生态混凝土创新创意设计与应用情况大赛。

4.3 数字赋能，提升产业的智能制造水平

加快推进生产、运输、施工过程的数字化技术研发。鼓励企业作为主体进行产学研联合攻关，研发预拌3D打印混凝土运输中性能监控和调控的信息化技术，实现3D打印混凝土质量“最后一公里”的精准管理。推动研发预制混凝土设计仿真软件及混凝土模具，降低钢质模具的消耗，减少模具材料消耗产生的能耗和碳排放。实现BIM技术和数字信息技术在预制混凝土行业中的运用，提高混凝土构件深化设计和企业精细化管理水平。

全面采用信息技术重构企业的生产管理体系。积极推动5G+工业互联网融合创新发展，加快提升原材料供应链、生产流程管理和应用服务信息化管理水平。构建完善信用质量体系，加快实现生产过程可视化和远程控制，在存储和施工管理环节融合BIM技术，促进建筑设计、预制3D打印混凝土生产、构件运输、装配施工的深度融合。