3D打印技術(shù)在水運(yùn)工程中的探索

陳明佳，何揚(yáng)

（1.中交國際航運(yùn)有限公司，天津 300000；2.中交海洋建設(shè)開發(fā)有限公司，天津 300000）

1 3D打印建筑概述

3D打印建筑是按照預(yù)先設(shè)計(jì)的建筑圖紙程序（一般基于BIM技術(shù)），使用特制的打印材料，通過機(jī)器設(shè)備自動(dòng)打印出來（圖1），達(dá)到建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)且具備實(shí)用功能的建筑。目前階段該技術(shù)主要是以選擇性沉積打印技術(shù)為基礎(chǔ)的“輪廓工藝”[1-2]（南加州大學(xué)赫洛克·霍什內(nèi)維斯教授發(fā)明），將混凝土等建筑材料通過3D打印機(jī)的噴頭擠出（圖2），采用連續(xù)打印、層層疊加的方式進(jìn)行建造，打印材料擠出后會(huì)很快凝固，保證打印機(jī)能連續(xù)打印。

3D打印建筑的建造方式主要包括裝配式3D打印構(gòu)件拼裝、現(xiàn)場整體3D打印成型兩種。裝配式可在3D打印的框架空腔中配置橫向、豎向鋼筋，并可在空腔內(nèi)進(jìn)行材料填充形成3D打印配筋砌體、剪力墻等結(jié)構(gòu)，其代表建筑為盈創(chuàng)公司在蘇州廠區(qū)打印的六層試驗(yàn)建筑，該建筑采用配筋砌體、剪力墻標(biāo)準(zhǔn)打印，裝配式安裝，建筑面積865平方米，一天打印一層，5天安裝一層。現(xiàn)場整體3D打印成型一般是在綁扎成型的建筑鋼筋骨架上直接進(jìn)行3D打印，其代表建筑由北京華商騰達(dá)在2016年現(xiàn)場整體打印完成，建筑共兩層（層高3米），整體400平方，墻體厚度為250毫米，該建筑的基礎(chǔ)和墻體使用了大約20噸的鋼筋、380立方米的C30級混凝土，實(shí)際成本約每平米造價(jià)500元，經(jīng)試驗(yàn)檢測可承受八級地震的強(qiáng)度。

3D打印技術(shù)在水運(yùn)工程的運(yùn)用中，可以綜合考慮以上兩種建造方式。

圖1 3D打印建筑施工示意圖

圖2 3D打印機(jī)施工照片

2 3D打印技術(shù)在水運(yùn)工程中的優(yōu)勢

（1）節(jié)省人工：3D打印取消了施工模具的裝拆，混凝土無需進(jìn)行人工振搗，大大減少了建筑工人的使用，并降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）節(jié)省材料：在混凝土構(gòu)件中，3D打印可以打印空心構(gòu)件，任意設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和選擇填充材料，可有效降低混凝土使用量，且可以選擇性降低結(jié)構(gòu)吊裝自重。另外可以省去大批模板費(fèi)用，由于水運(yùn)工程中很多異形結(jié)構(gòu)，在一個(gè)工程上使用過后很難在另外的工程中繼續(xù)使用，導(dǎo)致模板浪費(fèi)較大，而3D打印不需要模板。

（3）縮短工期：由于不需要模板的安裝和拆卸，有效縮短了工期。

（4）質(zhì)量可靠：相較傳統(tǒng)水運(yùn)工程施工工藝，3D打印可克服人為操作偏差，且抗震保溫效果均有增強(qiáng)，產(chǎn)品質(zhì)量有更好的保障。

（5）變廢為寶：建筑原材可采用建筑垃圾、工業(yè)垃圾、礦山尾礦等，通過科學(xué)分類處理可以用在水運(yùn)工程主體結(jié)構(gòu)或者填充材料中，實(shí)現(xiàn)可循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

（6）綠色施工：在施工過程中采用干法施工，有效避免施工粉塵和噪音，且打印廢料極少。

（7）簡便高效：在計(jì)算機(jī)上完成設(shè)計(jì)，突破現(xiàn)行設(shè)計(jì)理念，高效、高精度地實(shí)現(xiàn)多樣化、功能化復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與建造。

隨著我國建筑市場勞動(dòng)力短缺及成本上升，以及社會(huì)對復(fù)雜工藝和高效率的要求、石材資源的日漸匱乏、環(huán)保壓力的加大等因素的日益凸顯，3D打印技術(shù)在水運(yùn)工程施工領(lǐng)域?qū)⒂懈鼜V闊的發(fā)展空間。

3 在水運(yùn)工程中應(yīng)用的展望

當(dāng)前技術(shù)水平下的3D打印技術(shù)在水運(yùn)工程中已經(jīng)初步具備應(yīng)用的條件，并且優(yōu)勢明顯，有較為廣闊的發(fā)展空間。

3.1 在沉箱預(yù)制場的運(yùn)用

傳統(tǒng)沉箱預(yù)制工藝（圖3）極為繁瑣，沉箱分層澆注受模板高度限制，一個(gè)僅12米高的沉箱一般從下到上分成3段（進(jìn)行三次循環(huán)施工，每次循環(huán)時(shí)間大約為一周，完成3次循環(huán)需要3周時(shí)間），每一段的施工都包括以下步驟：制作整平臺座→平臺鋪設(shè)及放線→綁扎鋼筋→跳倉吊裝一半內(nèi)芯模板→綁扎全部鋼筋檢查驗(yàn)收→吊裝另一半內(nèi)芯→吊裝外模板→模板尺寸找平驗(yàn)收→澆筑混凝土→接茬面處理→拆模→養(yǎng)護(hù)→下一循環(huán)。沉箱預(yù)制的每一個(gè)循環(huán)都占用了大量的時(shí)間和人力；沉箱預(yù)制場的場地基礎(chǔ)要求比較嚴(yán)格，需要的場地較大，場地建設(shè)費(fèi)用較高；沉箱模板費(fèi)用較高且極為笨重，在混凝土澆筑過程中模板的安全風(fēng)險(xiǎn)也較大。

圖3 常規(guī)沉箱預(yù)制場景

圖4 可參考的3D打印建筑模式

如果采用3D打印建筑技術(shù)，將有效解決以上問題。首先，可以放棄笨重繁瑣的模板、減少操作人工，在綁扎完成鋼筋骨架的基礎(chǔ)上，只需工人啟動(dòng)3D打印機(jī)的打印程序，即可自動(dòng)化打印無需模板的沉箱結(jié)構(gòu)（圖4）。其次，由于3D打印建筑可以打印特有的內(nèi)部空心桁架混凝土結(jié)構(gòu)（圖2），通過空心桁架結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)沉箱壁的實(shí)心厚壁結(jié)構(gòu)，可有效降低混凝土和鋼筋的使用量，并可降低沉箱自重節(jié)約出運(yùn)成本。另外，3D打印技術(shù)在工期節(jié)約上效果明顯。如12米高的沉箱按照一層打印0.2米高度、半小時(shí)打印一層(單層打印所用的時(shí)間≤混凝土初凝時(shí)間)的速度計(jì)算，整個(gè)12米沉箱單純打印混凝土的時(shí)間總計(jì)僅30個(gè)小時(shí)。由于鋼筋綁扎需要時(shí)間，且混凝土一次不宜打印過高，可考慮每打印4米的高度（耗時(shí)10小時(shí)）就暫停打印，即將12米高的沉箱分三段進(jìn)行打印，每段的施工主要工序包括“綁扎鋼筋檢查驗(yàn)收→3D打印混凝土→下一循環(huán)”。從工期上進(jìn)行計(jì)算，每段（4米高度）打印10小時(shí)就進(jìn)行養(yǎng)護(hù)并綁扎鋼筋，綁扎鋼筋時(shí)間按照1個(gè)工作日計(jì)算，總計(jì)約7天即可完成一個(gè)12米高沉箱的打印。相比傳統(tǒng)工藝所需的3周時(shí)間和繁瑣的工藝，3D打印技術(shù)在工期和工序上優(yōu)勢明顯。

此外，在傳統(tǒng)施工中，一般使用半潛駁進(jìn)行沉箱的出運(yùn)。半潛駁由于其體積大、兩側(cè)壁高，比較適宜改造為水上3D打印船，由于半潛駁兩側(cè)的高壁可以有效替代3D打印設(shè)備的軌道門機(jī)，僅需在半潛駁上安裝打印噴頭和倉儲設(shè)備即可，半潛駁改造成為3D打印船的成本極低。沉箱直接在半潛駁上面進(jìn)行3D打印，打印完成后，移至水中養(yǎng)護(hù)和存放，這樣就一次性的省去了沉箱預(yù)制場選址建設(shè)的巨額費(fèi)用，大大提高了重力式碼頭的施工利潤。

圖5 沉箱出運(yùn)照片

3.2 在防波堤及碼頭胸墻上的運(yùn)用

對于港口施工，除了重力式碼頭的基礎(chǔ)箱體在預(yù)制上采用3D打印技術(shù)可取得突破外，在防波堤及碼頭胸墻等上部結(jié)構(gòu)上也可以廣泛的應(yīng)用3D打印技術(shù)，可以將3D打印機(jī)械運(yùn)至碼頭現(xiàn)場直接進(jìn)行現(xiàn)場打印或者是工廠打印后運(yùn)至現(xiàn)場進(jìn)行安裝。在充分考慮胸墻抗滑移和抗傾穩(wěn)定性的同時(shí)，可在3D打印后的內(nèi)部框架中進(jìn)行其他材料的填充。這樣可以在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，充分地加快工期并節(jié)省材料。

3.3 催生相關(guān)物流及租賃業(yè)務(wù)

對于3D打印建筑業(yè)務(wù)比較集中的區(qū)域，可以設(shè)置3D打印工廠，通過物流系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)到周邊所需工程區(qū)域進(jìn)行安裝。對于3D打印短時(shí)間需求較大且遠(yuǎn)離3D打印工廠的大型工程，比如非洲地區(qū)的沉箱預(yù)制工程，可以考慮3D打印設(shè)備調(diào)遣到施工現(xiàn)場。待3D打印建筑技術(shù)普及到一定階段時(shí)，可在全球布局3D打印設(shè)備租賃基地，比如在非洲、東南亞、拉美等地設(shè)置租賃基地，當(dāng)周邊地區(qū)有大型港口、房建、橋梁項(xiàng)目時(shí)，就可以通過物流系統(tǒng)將打印設(shè)備運(yùn)輸至工程場地進(jìn)行直接打印施工，待完成相關(guān)打印工作后，再調(diào)遣至周邊其他使用區(qū)域或運(yùn)回租賃基地進(jìn)行維修保養(yǎng)。

4 3D打印技術(shù)在水運(yùn)工程應(yīng)用中存在的問題

（1）水工建筑全部采用3D打印方式的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尚屬空白，有待全行業(yè)探討建立。

（2）3D打印建筑目前沒有專業(yè)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，在水運(yùn)工程中更是未有過應(yīng)用，在設(shè)計(jì)建造時(shí)只能參考借鑒相近的結(jié)構(gòu)和外觀建筑標(biāo)準(zhǔn)，并通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來確保其結(jié)構(gòu)等方面的安全可靠。

（3）3D打印建筑設(shè)備還有較大提升空間。盈創(chuàng)公司所用的3D打印建筑設(shè)備高6米、長36米、寬12米，底面占地面積有一個(gè)籃球場那么大，未來仍需將其結(jié)構(gòu)大幅縮小。

（4）目前一些3D打印建筑所采用的“油墨”由高標(biāo)號水泥和玻璃纖維構(gòu)成，在部分國家禁止建筑大量使用玻璃纖維。

（5）打印材料抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、耐久性等綜合性能[3-4]是否符合標(biāo)準(zhǔn)，還需權(quán)威檢測和認(rèn)證。

（6）國內(nèi)3D建筑現(xiàn)階段整體尚處研發(fā)和概念性階段，前期研發(fā)成本相對較高，業(yè)主和設(shè)計(jì)人員對3D打印技術(shù)在水工上的運(yùn)用還比較陌生，距大范圍推廣尚有距離。

5 夯實(shí)基礎(chǔ)工作，穩(wěn)步推進(jìn)3D打印技術(shù)

因?yàn)?D打印技術(shù)在水運(yùn)工程應(yīng)用中還存在著不少的難點(diǎn)和困難，所以在實(shí)踐中要夯實(shí)基礎(chǔ)工作的管理，穩(wěn)步推進(jìn)3D打印技術(shù)在水運(yùn)工程中的應(yīng)用。

首先，從基本工作著手，把3D打印技術(shù)在水運(yùn)工程中應(yīng)用的相關(guān)打印材料、工藝流程、施工方法、技術(shù)路線、驗(yàn)收規(guī)范等都形成標(biāo)準(zhǔn)。在相關(guān)過程要收集確定標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)、參數(shù)、性能要求、試驗(yàn)方法、公式、檢驗(yàn)規(guī)則等的論據(jù)（包括試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)），以及主要試驗(yàn)（或驗(yàn)證）的分析、綜述報(bào)告，技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效果，貫徹標(biāo)準(zhǔn)的要求和措施建議（包括組織措施、技術(shù)措施、過渡辦法等內(nèi)容）。

其次，在3D打印建筑成品的基礎(chǔ)研發(fā)中，不僅要對外形，更重要的是對內(nèi)部結(jié)構(gòu)、剛度、綜合強(qiáng)度、防火性、使用年限等許多方面進(jìn)行綜合系統(tǒng)考慮。要把相關(guān)產(chǎn)品送至機(jī)構(gòu)測試認(rèn)證，確保符合監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)語

當(dāng)今社會(huì)，技術(shù)變革日新月異，需要我們在水運(yùn)工程領(lǐng)域勇于改革創(chuàng)新、提質(zhì)增效，不斷地將3D打印技術(shù)優(yōu)化完善，也需要我們針對問題夯實(shí)基礎(chǔ)管理及進(jìn)行制度支撐，只有這樣才能更好地促進(jìn)3D打印技術(shù)在水運(yùn)工程應(yīng)用中早日取得突破。