水泥、粉煤灰、硅灰、外加劑、鋼纖維……六七種不同原料依序加入水泥攪拌機，通過泵管相連，一旁的3D打印機頭以這種新型混凝土為“油墨”，一圈圈將其按照規(guī)定路線“擠出”。不到兩小時，一個免模板數(shù)字化成型、曲面線條靈動自然的3D打印非機動車車棚就呈現(xiàn)在記者眼前。幾天后，這些非機動車車棚將“走出”南京綠色增材智造研究院的生產(chǎn)車間，被放置于南京江北新區(qū)研創(chuàng)園作為試點，后續(xù)會向全市居民小區(qū)、辦公樓宇等推廣。

“懂材料的”與“懂設備的”攜手

“這款新型車棚所使用的材料是我們的新研究成果——超高性能混凝土（UHPC），這種材料抗彎強度高，具有很強的防火、抗爆和抗沖擊能力，非常適合用作非機動車停放及充電車棚。”作為南京綠色增材智造研究院的主要技術支持，東南大學材料科學與工程學院張亞梅教授團隊今天首次嘗試將這種超高性能材料用于大尺度構(gòu)件3D打印?？粗弦淮淮乇惶砑舆M攪拌機，張亞梅告訴記者，其中不少材料都來自工業(yè)副產(chǎn)品。“粉煤灰是電廠出來的，硅灰是從硅鐵合金廠出來的。因為材料特殊，所以配比尤為重要。為了保證成品性能，我們在實驗室已經(jīng)進行過多次試配和性能測試。”這些原本會被丟掉的工業(yè)廢棄物到了她這里成了“寶貝”，是研發(fā)這種新型混凝土的關鍵。

實際上，這并不是團隊第一次挑戰(zhàn)“不可能”。國內(nèi)首個3D打印綠色裝配式智慧建筑、國內(nèi)首例原位3D打印可交付二層單體建筑……在張亞梅看來，將固廢綠色再利用技術和3D打印技術相結(jié)合其本身就是建筑領域的一次變革，而他們無疑走在了行業(yè)的最前沿。

隨著人口老齡化的加劇，勞動力緊缺逐漸成為建筑行業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)。與此同時，傳統(tǒng)的依賴模具的建造模式往往會造成極大的資源浪費。過去想要造一幢房子，施工現(xiàn)場首先要把模板立起來，再把鋼筋籠放進去，等混凝土澆筑好并硬化后再將模板拆除，這整個流程都大量依賴人工，勞動效率低。

此外，一個構(gòu)件中模板的成本約占建造總成本的15%~20%。而當建筑的造型不規(guī)則時，模板只能一次性使用，這無疑是一個巨大的浪費。據(jù)統(tǒng)計，我國每年建筑垃圾產(chǎn)生量近35億噸，占城市垃圾總量的30%~40%，但回收利用率卻很低。

能否在對傳統(tǒng)建造模式轉(zhuǎn)型升級的同時，實現(xiàn)建筑垃圾資源化利用？“我們剛做3D打印項目應用的時候，全球范圍內(nèi)示范項目非常少，盡管國內(nèi)也有團隊在做，但在應用方面仍有不少局限。”搞設備的不懂材料，搞材料的缺少設備。張亞梅認為，傳統(tǒng)建筑建造想要向3D智能建造轉(zhuǎn)型一定要確保從材料研發(fā)到打印設備再到應用端，全產(chǎn)業(yè)鏈的問題都要解決。抱著這樣的想法，2018年，張亞梅團隊與南京嘉翼精密機器制造股份有限公司團隊一拍即合。兩支團隊攜手江北新區(qū)產(chǎn)業(yè)技術研創(chuàng)園管委會組建南京綠色增材智造研究院，共同攻克固廢綠色再利用技術與建筑3D打印技術融合的難關。

“對我們而言，制造一臺3D打印的機器并不算難，難的是材料。第一臺機器建好后，我們足足等了8個月才等到合適的打印原料。”南京嘉翼董事長李進坦言，3D打印建筑對材料要求特別高，混凝土硬化的時間尤為講究。如果材料一“擠”出來就“灘”了下來，或者還沒打完第二圈，第一圈就已經(jīng)硬化了，這些都不行。在產(chǎn)學研合作之前，工廠曾嘗試自制打印材料，然而均以失敗告終。“直到張教授團隊新材料的加入，我們的機器才真正有了用武之地。”

要可持續(xù)，也要高性能、低成本

走上研究院三樓，材料研發(fā)實驗室里，張亞梅向記者展示了十多種3D打印原材料。再生粗骨料、再生磚粉、再生砂、尾礦砂……盡管看上去與普通3D打印材料無異，但想要讓這些再生材料真正用于3D打印，對研究人員來說是不小的挑戰(zhàn)。

實驗室里，張亞梅指導博后、博士生們反復測試，不斷改良用于3D打印的混凝土配方。“土地、道路開挖后的表層土及瀝青混凝土塊、舊建筑物拆房后的磚頭及舊混凝土、廢金屬、廢塑料、裝潢廢棄物等都屬于建筑廢棄物，因其來源復雜，性能不穩(wěn)定，在進行資源再利用時必須滿足使用性能要求，合理科學地使用。”張亞梅以粗骨料為例，將這種材料加入混凝土中，不僅可以減少水泥用量，還可以減少硬化混凝土的收縮變形等，但再生粗骨料的再利用，必須考慮其長期性能，添加需要掌握好尺度。“針對不同項目的需求，我們會將不同固廢揚長避短復合使用，合理調(diào)整配比，真正讓材料為建筑物服務。這也是我們材料研發(fā)與后端應用緊密結(jié)合的優(yōu)勢。”

2023年，南京市六合區(qū)雄州街道靈巖社區(qū)衛(wèi)生服務中心新矗立起一座二層小樓，紅藍兩色、波浪曲線型的外觀格外搶眼。這座建筑面積52.8平方米，建筑高度6米的項目是國內(nèi)首個真正意義上可居住、已經(jīng)交付使用的原位3D打印二層建筑。“通常來說，這種二層建筑會選用質(zhì)地較為細膩的砂漿進行打印，但很多結(jié)構(gòu)專家對此并不那么認可。我們希望能夠加一些粗骨料，一方面增強建筑本身剛度，有效控制收縮開裂等問題，另一方面減少水泥用量，減少碳排放，同時降低建造成本。但因為項目難度大，不可控因素多，此前國際上也幾乎沒有團隊做過類似的項目”，張亞梅說。

“不同于以往在工廠打印好構(gòu)件后現(xiàn)場進行裝配式安裝，我們這個項目需要現(xiàn)場原位進行3D打印，這也就意味著所有的突發(fā)情況只能在現(xiàn)場解決。”李進回憶，盡管在實驗室小范圍的試驗很成功，但當打印過程“搬”到了現(xiàn)場，盛夏的暴雨、高溫惡劣天氣之下，加了粗骨料的打印材料現(xiàn)場泵送難度倍增。泵管爆了，現(xiàn)場將新的換上；材料因為高溫還沒擠出就凝固了，就地調(diào)整原料配比。“盡管很難，但遇到的問題很快被解決。對我們而言這是一個全新的嘗試，這也是十三五國家重點研發(fā)計劃項目的一個示范工程。”

隨著3D打印機按照指令穩(wěn)穩(wěn)打印完建筑結(jié)構(gòu)的最后一圈，團隊的所有人都長吁一口氣，現(xiàn)代房屋建造的智能化轉(zhuǎn)型又往前邁了一步。

產(chǎn)業(yè)要“走出去”更要“落下來”

2023年3月，中國工業(yè)品展會在阿聯(lián)酋首都阿布扎比開幕。團隊帶著3D打印機器與產(chǎn)品在中阿（聯(lián)酋）產(chǎn)能合作示范園集中展示。李進告訴記者，江蘇3D打印建筑產(chǎn)業(yè)首次“出海”，便受到眾多國外企業(yè)的關注，迪拜投資發(fā)展局官員更是連續(xù)兩天來到展區(qū)進行深度溝通。據(jù)悉，迪拜政府2018年推出“3D打印戰(zhàn)略”，計劃到2030年時有25%的新建筑由3D打印而成。“但在建筑垃圾處理上，他們還沒有更好的辦法。將建筑固廢回收處理后用于3D打印建筑材料，這恰恰是我們團隊的擅長。”

2023年9月，團隊正式簽約進駐中阿（聯(lián)酋）產(chǎn)能合作示范園，從首次接觸到落地，僅用時半年。“我們是首個進入園區(qū)的南京企業(yè)，將在后期園區(qū)建設中盡力做到‘應打盡打’。”李進表示，一條生產(chǎn)線投用后，預估年處理建筑垃圾能力可達50萬—60萬噸，年利潤可達到5000萬元左右。李進說：“這僅僅是開始，相信未來還會有更多江蘇造的綠色低碳3D打印建筑出現(xiàn)在迪拜街頭。”

3D打印設備及材料的迭代創(chuàng)新，使得建筑產(chǎn)業(yè)進入了深度轉(zhuǎn)型升級時期，智能建造也正源源不斷激發(fā)新質(zhì)生產(chǎn)力。相較傳統(tǒng)澆筑建造，3D打印建筑的碳排放降低約39%，是建筑全生命周期實現(xiàn)碳中和的重要一環(huán)。“發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力不是忽視、放棄傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，相反，3D打印建造使得人類建造技術的生產(chǎn)效率和新材料的使用效能呈大幅度提高。城市固廢再利用技術則讓智能建造更低碳綠色，解決了當下城市建設進程中出現(xiàn)的現(xiàn)實難題。”李進說。

截至目前，團隊已經(jīng)實施百余個3D打印項目，共擁有相關核心專利技術121件（其中發(fā)明30多件），13條生產(chǎn)線分布在國內(nèi)9個省及阿聯(lián)酋、加拿大、新加坡等多個國家和地區(qū)。2022年，南京綠色增材智造研究院作為建筑設施整體制造的裝備制造商和服務提供商入選工信部公布的首批增材制造典型應用場景名單，這也是建筑領域唯一入選單位。

產(chǎn)業(yè)要“走出去”更要“落下來”。“在這過程中，所有技術都要相當成熟才能做大規(guī)模推廣應用。眼下還沒到這個階段，所以我們希望在一個個示范項目中，不斷發(fā)現(xiàn)新問題并解決問題，通過一系列標準的制定，加快推進智能建造技術的推廣應用。”張亞梅說。