水泥、粉煤灰、矽灰、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”，一圈圈將其按照規定路線“擠出”。不到兩小時，一個免範本數位化成型、曲面線條靈動自然的3D列印非機動車車棚就呈現在記者眼前。幾天後，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車間，被放置於南京江北新區研創園作為試點，後續會向全市居民社區、辦公樓宇等推廣。

“懂資料的”與“懂設備的”攜手

“這款新型車棚所使用的資料是我們的新研究成果——超高效能混凝土（UHPC），這種資料抗彎強度高，具有很强的防火、抗爆和抗衝擊能力，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援，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效能資料用於大尺度構件3D列印。看著原料一袋一袋地被添加進攪拌機，張亞梅告訴記者，其中不少資料都來自工業副產品。“粉煤灰是電廠出來的，矽灰是從矽鐵合金廠出來的。因為資料特殊，所以配比尤為重要。為了保證成品效能，我們在實驗室已經進行過多次試配和性能測試。”這些原本會被丟掉的工業廢棄物到了她這裡成了“寶貝”，是研發這種新型混凝土的關鍵。

實際上，這並不是團隊第一次挑戰“不可能”。國內首個3D列印綠色裝配式智慧建築、國內首例原位3D列印可交付二層單體建築……在張亞梅看來，將固廢綠色再利用科技和3D列印科技相結合其本身就是建築領域的一次變革，而他們無疑走在了行業的最前沿。

隨著人口老齡化的加劇，勞動力緊缺逐漸成為建築行業面臨的一大挑戰。與此同時，傳統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，施工現場首先要把範本立起來，再把鋼筋籠放進去，等混凝土澆築好並硬化後再將範本拆除，這整個流程都大量依賴人工，勞動效率低。

此外，一個構件中範本的成本約占建造總成本的15%~20%。而當建築的造型不規則時，範本只能一次性使用，這無疑是一個巨大的浪費。據統計，我國每年建築垃圾產生量近35億噸，占都市垃圾總量的30%~40%，但回收利用率卻很低。

能否在對傳統建造模式轉型陞級的同時，實現建築垃圾資源化利用？“我們剛做3D列印項目應用的時候，全球範圍內示範專案非常少，儘管國內也有團隊在做，但在應用方面仍有不少局限。”搞設備的不懂資料，搞資料的缺少設備。張亞梅認為，傳統建築建造想要向3D智慧建造轉型一定要確保從資料研發到列印設備再到應用端，全產業鏈的問題都要解决。抱著這樣的想法，2018年，張亞梅團隊與南京嘉翼精密機器製造股份有限公司團隊一拍即合。兩支團隊攜手江北新區產業科技研創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科技與建築3D列印科技融合的難關。

“對我們而言，製造一臺3D列印的機器並不算難，難的是資料。第一台機器建好後，我們足足等了8個月才等到合適的列印原料。”南京嘉翼董事長李進坦言，3D列印建築對資料要求特別高，混凝土硬化的時間尤為講究。如果資料一“擠”出來就“灘”了下來，或者還沒打完第二圈，第一圈就已經硬化了，這些都不行。在產學研合作之前，工廠曾嘗試自製列印資料，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。”

要永續，也要高性能、低成本

走上研究院三樓，資料研發實驗室裏，張亞梅向記者展示了十多種3D列印原材料。再生粗骨料、再生磚粉、再生砂、尾礦砂……儘管看上去與普通3D列印資料無異，但想要讓這些再生資料真正用於3D列印，對研究人員來說是不小的挑戰。

實驗室裏，張亞梅指導博後、博士生們反復測試，不斷改良用於3D列印的混凝土配方。“土地、道路開挖後的表層土及瀝青混凝土塊、舊建築物拆房後的磚頭及舊混凝土、廢金屬、廢塑膠、裝潢廢棄物等都屬於建築廢棄物，因其來源複雜，效能不穩定，在進行資源再利用時必須滿足使用效能要求，合理科學地使用。”張亞梅以粗骨料為例，將這種資料加入混凝土中，不僅可以减少水泥用量，還可以减少硬化混凝土的收縮變形等，但再生粗骨料的再利用，必須考慮其長期效能，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複合使用，合理調整配比，真正讓資料為建築物服務。這也是我們資料研發與後端應用緊密結合的優勢。”

2023年，南京市六合區雄州街道靈岩社區衛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。這座建築面積52.8平方米，建築高度6米的項目是國內首個真正意義上可居住、已經交付使用的原位3D列印二層建築。“通常來說，這種二層建築會選用質地較為細膩的砂漿進行列印，但很多結構專家對此並不那麼認可。我們希望能夠加一些粗骨料，一方面增强建築本身剛度，有效控制收縮開裂等問題，另一方面减少水泥用量，减少碳排放，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。

“不同於以往在工廠列印好構件後現場進行裝配式安裝，我們這個項目需要現場原位進行3D列印，這也就意味著所有的突發情况只能在現場解决。”李進回憶，儘管在實驗室小範圍的試驗很成功，但當列印過程“搬”到了現場，盛夏的豪雨、高溫惡劣天氣之下，加了粗骨料的列印資料現場泵送難度倍增。泵管爆了，現場將新的換上；資料因為高溫還沒擠出就凝固了，就地調整原料配比。“儘管很難，但遇到的問題很快被解决。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計畫項目的一個示範工程。”

隨著3D打印機按照指令穩穩列印完建築結構的最後一圈，團隊的所有人都長籲一口氣，現代房屋建造的智能化轉型又往前邁了一步。

產業要“走出去”更要“落下來”

2023年3月，中國工業品展會在阿聯酋首都阿布達比開幕。團隊帶著3D列印機器與產品在中阿（聯酋）產能合作示範園集中展示。李進告訴記者，江蘇3D列印建築產業首次“出海”，便受到眾多國外企業的關注，迪拜投資發展局官員更是連續兩天來到展區進行深度溝通。據悉，迪拜政府2018年推出“3D列印戰畧”，計畫到2030年時有25%的新建築由3D列印而成。“但在建築垃圾處理上，他們還沒有更好的辦法。將建築固廢回收處理後用於3D列印建築材料，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（聯酋）產能合作示範園，從首次接觸到落地，僅用時半年。“我們是首個進入園區的南京企業，將在後期園區建設中盡力做到‘應打盡打’。”李進表示，一條生產線投用後，預估年處理建築垃圾能力可達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列印建築出現在迪拜街頭。”

3D列印設備及資料的反覆運算創新，使得建築產業進入了深度轉型陞級時期，智慧建造也正源源不斷激發新質生產力。相較傳統澆築建造，3D列印建築的碳排放降低約39%，是建築全生命週期實現碳中和的重要一環。“發展新質生產力不是忽視、放弃傳統產業，相反，3D列印建造使得人類建造科技的生產效率和新材料的使用效能呈大幅度提高。都市固廢再利用科技則讓智慧建造更低碳綠色，解决了當下都市建設行程中出現的現實難題。”李進說。

截至目前，團隊已經實施百餘個3D列印項目，共擁有相關覈心專利技術121件（其中發明30多件），13條生產線分佈在國內9個省及阿聯酋、加拿大、新加坡等多個國家和地區。2022年，南京綠色增材智造研究院作為建築設施整體製造的裝備製造商和服務提供者入選工信部公佈的首批增材製造典型應用場景名單，這也是建築領域唯一入選組織。

產業要“走出去”更要“落下來”。“在這過程中，所有科技都要相當成熟才能做大規模推廣應用。眼下還沒到這個階段，所以我們希望在一個個示範專案中，不斷發現新問題並解决問題，通過一系列標準的製定，加快推進智慧建造科技的推廣應用。”張亞梅說。