▲ 混凝土3D打印雕塑《對話》

？ 中國建筑材料科學(xué)研究總院

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問：目前，混凝土3D打印在我國的發(fā)展?fàn)顩r如何？與國外相比存在哪些差距？

王振地：混凝土3D打印自20世紀(jì)提出以來，在過去10年取得了快速發(fā)展，尤其是國內(nèi)的進展非常喜人。在學(xué)術(shù)界出現(xiàn)了一大批研究人員投身于混凝土3D打印的研究，目前國內(nèi)在混凝土3D打印材料研制、建造性評價、界面結(jié)合及結(jié)構(gòu)自動化配筋等方面均有突破性進展，并實現(xiàn)了大型橋梁、房屋、城市園林雕塑、應(yīng)急設(shè)施的3D打印和示范應(yīng)用；在工業(yè)界涌現(xiàn)了一批新興的企業(yè)，從事混凝土3D打印的生產(chǎn)和應(yīng)用，相關(guān)打印產(chǎn)品遠銷多個國家和地區(qū)，起到了積極的示范作用。整體上我國與國外屬于并跑狀態(tài)。最近5年我國在混凝土3D打印方向的研發(fā)投入呈幾何級數(shù)增加?？梢灶A(yù)見，未來5年還將繼續(xù)增加。

但我們也應(yīng)該看到差距，國內(nèi)混凝土3D打印基本上以擠出工藝為主，對于粉末床打印工藝和其他打印工藝的研究很少有報道，打印工藝相對單一，沒有形成工藝上的百花齊放。而國外在智能動態(tài)模板澆筑和粉末床打印工藝方面已經(jīng)實現(xiàn)了多項實際應(yīng)用。另外，原創(chuàng)研究少，跟蹤研究多，有組織、公益性質(zhì)的系統(tǒng)研究少都是當(dāng)前存在的差距。

問：面對近年來消費者提出的新需求，混凝土3D打印都取得了哪些突破性進展？在個性化和綠色化發(fā)展方面3D打印的優(yōu)勢是什么？

▲為流浪動物制作的3D打印建筑小品《喵塢》

？ 中國建筑材料科學(xué)研究總院

王振地：近年來，在認知層面，混凝土3D打印的神秘感正逐步褪去，這與技術(shù)的進步和推廣是分不開的。

在技術(shù)層面，混凝土3D打印材料逐漸豐富?；炷?D打印技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，材料是關(guān)鍵。材料的好壞關(guān)系到可打印性，力學(xué)性能、收縮和長期服役性能。目前，國內(nèi)有利用硅酸鹽水泥基打印材料、硫鋁酸鹽水泥基打印材料、地聚合物打印材料、石膏基打印材料等不同材料體系的成功打印案例。打印材料的多寡極大程度決定了3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍?，F(xiàn)有的3D打印材料基本上滿足了建材和建筑領(lǐng)域的絕大部分需求。

3D打印在標(biāo)準(zhǔn)化方面也取得了突破，行業(yè)和協(xié)會團體標(biāo)準(zhǔn)的立項數(shù)量正逐步增加，為3D打印混凝土材料和結(jié)構(gòu)性能的評價提供了很好的基礎(chǔ)，在這一方向上我國比國外稍稍領(lǐng)先。

我國在自動化配筋領(lǐng)域取得重要進展。不同于國外的層間橫向配筋技術(shù)，我國的科研院所、高等院校和工程局等機構(gòu)先后在層間縱向配筋方面取得突破，實現(xiàn)了層間縱向自動配筋，顯著增強了混凝土3D打印的抗拉伸和抗剪切能力。

還有很重要的一點，在我國出現(xiàn)了諸如房屋建筑、橋梁、風(fēng)景園林、市政雕塑、應(yīng)急設(shè)施等大量的應(yīng)用示范工程，證明了混凝土3D打印的能力和優(yōu)點，推動了混凝土3D打印行業(yè)的整體進步。

隨著3D打印技術(shù)的逐漸推廣與應(yīng)用，其優(yōu)勢也得到業(yè)內(nèi)外廣泛認可。3D打印也被稱為“綠色鑄造”“柔性鑄造”技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)無模成型，還具有高精度、高細節(jié)度、綠色環(huán)保的優(yōu)勢，已經(jīng)成為助力鑄造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要科技力量。

問：您在混凝土3D打印領(lǐng)域從業(yè)多年，見證了行業(yè)的發(fā)展。在這個領(lǐng)域您主要做了哪些工作？這些工作對行業(yè)發(fā)展起到了怎樣的推動作用？

王振地：中國建筑材料科學(xué)研究總院是國內(nèi)較早開展混凝土3D打印研究工作的單位之一。近年來，團隊主要在混凝土3D打印的一些基礎(chǔ)性工作方面展開了研究。一是研制了滿足建造性要求的3D打印水泥基材料，建立了混凝土可打印范圍，給出了3D打印水泥基材料的設(shè)計和組成調(diào)控原則，建立了基于貫入阻力的現(xiàn)場可打印性評價方法，指導(dǎo)可打印水泥基材料的組成設(shè)計，以避免相關(guān)企事業(yè)單位開展重復(fù)研究。

二是針對傳統(tǒng)直拉和三點彎曲方法評價打印混凝土界面結(jié)合強度評價存在的難題，提出了改進型“十字交叉法”，使施加的壓應(yīng)力在界面處變?yōu)槔瓚?yīng)力，解決了3D打印混凝土界面結(jié)合強度評價難題，并被制定為建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為行業(yè)的發(fā)展作出了公益性貢獻。

三是在國內(nèi)外率先開發(fā)出層間長程連續(xù)縱向配筋技術(shù)，經(jīng)配筋驗證，抗彎拉承載力獲得突破性提高，該技術(shù)集成了訂書針式、射釘式和垂直插筋式自動配筋工藝，有助于提高混凝土3D打印的整體性和實用性，為混凝土3D打印自動配筋的國際難題提供了中國解決方案。

四是在國際化方面，擔(dān)任RILEM TC-276 DFC（水泥基材料數(shù)字化制造），RILEM TC-ADC（3D打印混凝土材料與性能評價），RILEM TC-PFC（3D打印混凝土新拌漿體的性能要求與測試）等技術(shù)委員會委員，及時將中國混凝土3D打印的技術(shù)進步和重大進展在國際上宣傳。

五是作為特邀主編組稿出版《水泥基材料3D打印》?？惠?，征集了國內(nèi)外從事混凝土3D打印研究的著名學(xué)者的工作，組稿內(nèi)容涵蓋了3D打印水泥基材料設(shè)計、可打印材料探索、流變性與建造性、力學(xué)性能表征與評價、應(yīng)用場景與工程應(yīng)用案例等前沿研究方向的最新研究進展，并深入討論了阻礙水泥基材料3D打印技術(shù)發(fā)展的科學(xué)問題和技術(shù)難題，凝聚了國內(nèi)杰出科研工作者的心血，對行業(yè)具有很高的學(xué)術(shù)參考價值和工程指導(dǎo)意義。

六是目前正在主編三部建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《3D打印水泥基材料術(shù)語》《3D打印水泥基材料界面結(jié)合強度評價方法》和《3D打印水泥基材料收縮性能試驗方法》。主要是當(dāng)前行業(yè)缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，限制了混凝土3D打印的應(yīng)用和發(fā)展，這也是目前比較迫切需要解決的問題之一，也希望更多的專家和學(xué)者能夠參與這一公益性事業(yè)，多為行業(yè)作貢獻。

問：您認為，在滿足消費者新需求方面，目前行業(yè)主要存在哪些亟待解決的問題？這些問題對行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了怎樣的影響？

王振地： 目前最主要的問題是缺乏恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用場景，應(yīng)用需求不足，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)化進展緩慢。一方面是混凝土3D打印的成本和技術(shù)成熟度的問題，整體上3D打印混凝土的成本不占優(yōu)勢，且配筋技術(shù)還不夠成熟，應(yīng)用端的需求動力不足。另一方面，混凝土3D打印缺乏必要的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計端沒有案例或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可以參考，只能在一些非標(biāo)類的示范性工程上進行應(yīng)用。

此外，在技術(shù)層面，目前自動化配筋還需要繼續(xù)進行科研投入，沒有配筋的混凝土3D打印不符合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，也難以讓普通大眾接受。

問：在如何實現(xiàn)混凝土3D打印高質(zhì)量發(fā)展，有效滿足消費者新需求方面，您有哪些具體的建議和意見？

王振地：一是加大國家科技層面的政策支持。金屬增材制造領(lǐng)域國家已經(jīng)有重大專項支持，混凝土3D打印作為增材制造領(lǐng)域一個分支，目前尚未有專項科技投入，“十三五”期間僅在其他專項內(nèi)進行了散點狀的研發(fā)投入，國家科技層面未列入專項支持。建議行業(yè)協(xié)會進行積極呼吁，統(tǒng)籌國家科技部重點研發(fā)計劃，國家自然科學(xué)基金委和新材料重大專項，對3D打印混凝土材料基礎(chǔ)研究，關(guān)鍵技術(shù)集成和工程應(yīng)用進行全鏈條設(shè)計和投入，從國家層面推動混凝土3D打印技術(shù)的快速發(fā)展。

二是加快混凝土3D打印人才隊伍建設(shè)，積極培育原創(chuàng)核心技術(shù)。由于混凝土3D打印屬于交叉學(xué)科，既需要懂材料學(xué)和機械自動化，又需要有良好的計算機背景，目前這種復(fù)合型人才還比較缺乏。在教育層面，應(yīng)在高等院校內(nèi)開設(shè)3D打印課程或?qū)I(yè)，培養(yǎng)各類創(chuàng)新型3D打印人才，為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的快速發(fā)展提供基本人才保障；在科技層面，應(yīng)加快培育一批高素質(zhì)科技創(chuàng)新團隊，形成支撐我國混凝土3D打印領(lǐng)域發(fā)展的中堅力量，滿足當(dāng)前和未來一段時間我國混凝土3D打印行業(yè)的發(fā)展需求。

三是逐步完善混凝土3D打印的標(biāo)準(zhǔn)評價體系。加快標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，滿足設(shè)計、施工、驗收、實驗室測試和評價等不同階段對技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的需求，掃除混凝土3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的障礙，以促進我國混凝土3D打印技術(shù)的快速發(fā)展和進步。四是積極引導(dǎo)混凝土3D打印的應(yīng)用端需求，從應(yīng)用需求端推動發(fā)展。著手規(guī)劃混凝土3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，重視3D打印的技術(shù)研發(fā)和基礎(chǔ)研究工作，支持引導(dǎo)配套性的混凝土3D打印應(yīng)用需求，給予政策和稅收優(yōu)惠，鼓勵大型企業(yè)和施工單位成為拉動混凝土3D打印技術(shù)發(fā)展的主體，從應(yīng)用端創(chuàng)造有經(jīng)濟和技術(shù)效益的實際需求，可以大幅度提升混凝土3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平。

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