混凝土3D 打印技術與裝配式施工相結合的施工模式分析
——從農村基礎設施建設的視角

陳冬杰 向鵬鵬 張震

(新疆理工學院機電工程學院)

隨著經濟和技術的不斷革新，全世界各個國家的城鎮化水平都在穩步提升。但是依然有很多國家和地區的人民生活在偏遠和貧困的農村地區。以我國為例，隨著改革開放和城市更新改造項目的實施，我國城鎮化水平持續上升[1]。但是，我國人口基數大，截至2022 年底，農村人口占比依然達到42%。農業、農村、農民問題是關系國計民生的根本性問題，我國在2017 年正式提出鄉村振興戰略以改善農村地區人民的生活水平[2,3]。農村基礎設施的建設對農村地區人民的生活起到舉足輕重的作用[4-6]，建設農村地區基礎設施是鄉村振興戰略中最為關鍵的內容之一。農村基礎設施建設項目包含范圍廣闊，從基本的住房需求，到飲水供電項目、交通項目，以及休閑娛樂等項目都屬于農村基礎設施[7]。

現有的農村地區基礎設施建設模式以傳統的現場施工為主。如何找到一種快速、安全和有效的建設農村地區基礎設施項目的建設方案或者新模式，一直困擾各地相關政府部門。本文探索使用先進的建造方法（3D 打印技術）和理念（裝配式施工理念），來改進現有的建設模式，從而更好推動農村地區基礎設施項目建設。隨著各種新型技術的不斷發明，建設行業的發展也已經朝著信息化、數字化和智能化的方向邁進[8]。但是由于建設領域自身的特點：項目分布范圍廣、實施周期長、投資大等，不管是在技術方面，還是在組織管理方面，建設領域開展數字化建造都相對緩慢和困難[9]。其中3D 混凝土打印（3DCP）技術，因其具有建設工期短、建材損耗少、零廢料等優點[10-12]，引起了建設領域的關注，得到了很多專家和學者的重視和認可。同時，因3DCP 技術具有原型設計、無模具、高靈活性等優點[13-15]，使其非常適合于異形建筑。

3D 打印技術和裝配式施工都因具有較好的優勢，被越來越多的領域和項目認可和使用。所以為了實現農村地區基礎設施建設項目的可持續性和韌性，本文提出了使用3D 打印技術和裝配建造（3DP-PC）相結合的建造新模式。深入分析3DP-PC 與傳統施工的不同。對3DP-PC 模式在農村地區的適用項目特點、適用的施工環境以及具體的項目類型進行了討論。為農村地區基礎設施建設提供新的思路，同時也推動3DCP 在實際工程中的應用，加速我國數字化建造的進程。更為重要的是，為改善世界貧困地區和干旱地區人民的生活水平提供一種高效的方案。

1.研究理論及方法

1.1 3D 混凝土打印

3D 打印技術（3D Printing Technology），又稱為增材制造（Additive Manufacturing）[16]，是一種新興的制造技術[17]。與傳統制造技術相比，它最突出的特點是與數字模型的緊密結合，是一項真正有潛力做到“所想即所得（What you see is what you get)”的技術。在工程建造領域，企業和研究人員同樣想把這項新技術應用到傳統的建設中，為建筑業的發展和可持續提供新的解決思路[18]。本研究擬通過使用該技術，結合裝配式施工理念，實現對農村地區基礎設施項目的高效建造，提高相關利益方的效益。

1.2 裝配式施工

建筑領域的裝配式施工理念是先在工廠加工構件，比如柱子、梁、墻等，然后再運輸到現場進行拼裝的過程[19,20]。當然，也可以對整個建筑進行預制。裝配式施工被認為是建筑領域工業化的一個重要標志，同時還包括機械化、自動化和機器人的使用等[21]。預制裝配式施工作為一種可以取代現場施工的新模式，近年來受到了各國的廣泛關注[22]。

由于裝配式建筑的建造速度快，而且生產成本較低，迅速在世界各地推廣開來。裝配式施工的核心理念是工廠生產，現場直接進行安裝。裝配式具有以下的特點和優勢：（1）大量的建筑部品由車間生產加工完成，構件種類包括:外墻板、內墻板、疊合板、陽臺、空調板、樓梯、預制梁、預制柱等；（2）現場大量的裝配作業，比原始現澆作業大大減少；（3）采用建筑、裝修一體化設計、施工，理想狀態是裝修可隨主體施工同步進行；（4）設計的標準化和管理的信息化，構件越標準，生產效率越高，相應的構件成本就會下降，配合工廠的數字化管理，整個裝配式建筑的性價比會越來越高；（5）符合綠色建筑的要求；（6）節能環保。根據現有項目的實際測試，裝配式建筑具有較大的節約資源的優勢。本文擬通過3D 打印技術，在工廠進行構件打印后，對農村地區的基礎設施建設項目進行現場裝配式施工，以此來實現資源能源的優化和節約，促進可持續建設理念的發展。

1.3 對比分析

本文將3DP-PC 建造模式與傳統的現場施工模式進行了對比分析。主要從施工模式、施工進度、施工成本、施工空間、施工安全和產品質量等多個角度對兩者的區別進行了分析。如圖1 是本文的研究路線圖。本研究在一定程度上說明了3D 打印技術在農村基礎設施施工過程的優勢和不足，更為重要的是，為我國農村地區基礎設施建設提供參考和思路，有效推動鄉村振興戰略的實施。

圖1 研究路線圖

2.研究結果及討論

2.1 3DP-PC 模式的特點

實現了專業化、工廠化和流程化建造。傳統的現場施工需要把水泥、砂石骨料、鋼筋和模板等材料直接運輸到施工現場。然后由現場施工人員進行鋼筋綁扎、支撐模板以及混凝土的澆筑和養護。如圖2(a)為SC 的建造模式示意圖。使用3DP-PC 的建造方法，是將打印材料和鋼筋等先集中運輸到工廠，通過3DCP 打印技術進行批量生產，最后從工廠運輸組件到各個需求地點進行產品的整體拼裝。圖2(b)為3DP-PC 的建造模式示意圖。由此可見，3DP-PC 模式集中人力、物力和財力，在工廠進行建造，實現了專業化、工廠化和流程化建造。當然，在農村地區選擇合適的打印地點是非常重要的，本研究目前沒有考慮打印工廠的選址問題。

圖2 現場施工VS混凝土3D打印

實現了產品多樣化設計、資源能源集中化生產。3DPPC 建設模式，第一步也是最為關鍵的一步是使用3DCP 技術對建筑構件進行集中打印，由于3D 打印技術的高度靈活性，使得可以設計和實現標準不一、規格多樣的建筑部件，從而實現打印構件的多樣性。同時，整個打印過程中以工廠化施工為主，能夠集中資源進行施工，更好的實現節能減排目標和達到綠色施工的要求。

實現了設計施工一體化、組織管理規范化、施工管理數字化。使用計算機技術設計產品的三維圖紙，然后由3D打印機完成構件打印，最后將建筑構件運輸到現場進行裝配式施工。通過3DP-PC 建造過程，從建筑三維設計到施工全部完成，實現了設計施工一體化。由于整個過程的核心是在工廠進行構件打印，所以在人員組織和人員管理方面，都會更加的規劃和嚴格，同時可以增加一些視頻監控設備，更好的為整個建設過程服務。從而實現了施工組織管理規范化和施工管理數字化與可視化。有效的提高了項目的質量和安全等效益。

實現了產品多樣化設計、資源能源集中化生產。3DPPC 建設模式，第一步也是最為關鍵的一步是使用3DCP 技術對建筑構件進行集中打印，由于3D 打印技術的高度靈活性，使得可以設計和實現標準不一、規格多樣的建筑部件，從而實現打印構件的多樣性。同時，整個打印過程中以工廠化施工為主，能夠集中資源進行施工，更好的實現節能減排目標和達到綠色施工的要求。

2.2 3DP-PC 模式適用情景分析

第一類是易地搬遷的房建類項目。這種項目多以低層建筑為主，所以現在的3D 打印技術已經完全能夠滿足施工要求，同時，農村易地搬遷項目范圍廣。第二類是蓄水池等蓄水供水類項目。第三類是廁所改造項目。這類項目都是有固定的規格和尺寸，使用3D 打印技術完成每個單元的打印，直接運輸到居民家中，非常適合使用這種模式。第四類是沼氣池等能源類項目。隨著環境日益惡化，農村地區能源的使用也開始受到各方的關注。能源類項目多以異性結構，使之適合使用3D 打印技術。隨著人工費越來越高，以及3D 打印設備和打印材料價格的下行，在未來，3D 打印技術與裝配式等技術結合能夠起到非常好的作用。尤其是農村地區勞動力不足、專業人才缺乏、現場施工組織困難等，使得3DP-PC 建造模式能夠適用更多的農村基礎設施項目。

2.3 類似項目案例分析

通過查閱現有資料，3D 打印技術在農村地區的應用相當廣泛。比如寧夏銀川全球首個百米整體現場3D 打印的農業大棚；河北唐山2020 年世界首個現場3D 打印廁所；清華大學徐衛國教授采用該技術在深圳寶安實現了3D 打印公園，是3D 打印混凝土新技術首次在全球的市政工程建設的實際應用。東南大學張亞梅教授在2021 年的3D 打印田頭棚在浙江東陽鄉村建設中成功應用。3D 打印還可以幫助農民制作工具原型，尤其是在一些非洲國家，目前也有大量的應用。

3.研究結論與展望

本研究提出集成混凝土3D 打印技術和裝配式技術，形成一種新的農村地區基礎設施項目建設模式，以此來解決貧困山區建造緩慢、質量差、成本高、安全風險高等問題。

（1）3DP-PC 建設模式能夠提高施工效率，減少施工時間，這主要得益于該模式在空間上集中資源，形成了工業化成產，同時，引入先進的3D 打印技術，實現數字化和信息化生產。

（2）3DP-PC 建設模式在技術和經濟上已經可以實現。由于3D 打印技術的快速發展，很多大型項目都逐步開始使用該技術。與傳統的現場施工相比，能夠有效的避免人員傷亡，大大降低了施工安全風險。

（3）在貧困山區實施3DP-PC 建設模式，能夠集中管理，提高了對項目進度、成本和質量的控制，明確了各方責任和義務，更好的推動了項目的實施，能夠高效高質量的推動扶貧項目的開展。

（4）結合3D 打印技術與裝配式施工理念，能夠較好的實現建設行業數字化、信息化、智能化和自動化建造。

一個新的技術，能夠真正的被人們使用，對我們生活有所幫助，才能稱得上是好的技術。隨著互聯網和信息化的不斷發展，涌現出一批新型的技術和模式。以3D 打印技術為例，作為一門新的技術或者是不成熟的技術，在未來應該主要側重以下幾個方面：一是以資源節約和環境保護為前提；二是以實際應用為目的，切實解決人類需求；三是以工業化生產為核心，實現產業化；四是通過本研究可發現，3D 打印技術必須通過大型的建設項目來推動，真正的讓他為建設領域服務，僅僅是小型的、示范性的項目還不足以體現其優越性。