3D打印技術(shù)在內(nèi)河航道整治工程中的應(yīng)用

李余喜

【摘 要】 為使3D打印技術(shù)在航道整治工程中有更廣泛的應(yīng)用，以蘇申外港線（江蘇段）航道二級護(hù)岸為研究對象，分析3D打印技術(shù)原理，并將3D打印技術(shù)形成的二級護(hù)岸結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)護(hù)岸結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比。現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，蘇申外港線（江蘇段）航道采用3D打印技術(shù)形成的二級護(hù)岸結(jié)構(gòu)整體性較好、線形流暢，尤其是圓弧段的線形更加美觀，結(jié)合頂部綠化，景觀效果顯著。3D打印技術(shù)在內(nèi)河航道整治工程中的成功應(yīng)用，順應(yīng)了綠色航運(yùn)的理念，進(jìn)一步凸顯綠色、環(huán)保、生態(tài)航道工程的社會價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】 3D打印;二級護(hù)岸;航道整治

1 3D打印二級護(hù)岸的優(yōu)勢

傳統(tǒng)航道二級護(hù)岸多為混凝土現(xiàn)澆的剛性結(jié)構(gòu)，或是自鎖塊、仿木樁、箱式擋墻等預(yù)制安裝的柔性結(jié)構(gòu)。此類結(jié)構(gòu)雖然能夠滿足擋土功能并具有一定的景觀效果，但整體效果相對較差，消耗較多施工人力。與傳統(tǒng)二級護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式或施工工藝相比，3D打印二級護(hù)岸技術(shù)具有以下4個(gè)明顯優(yōu)勢：

（1）采用自動(dòng)化生產(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn)護(hù)岸結(jié)構(gòu)在車間內(nèi)自動(dòng)化生產(chǎn)，提高了護(hù)岸施工的工業(yè)化水平，有效避免了施工粉塵和噪聲;

（2）現(xiàn)場基礎(chǔ)施工與車間結(jié)構(gòu)打印同步實(shí)施，可以減少現(xiàn)場施工模板拼拆、混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)，大大節(jié)約模板成本，縮短施工工期，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度;

（3）結(jié)合計(jì)算機(jī)3D建模技術(shù)，突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，能夠滿足個(gè)性化景觀設(shè)計(jì)需求，實(shí)現(xiàn)常規(guī)工藝無法實(shí)現(xiàn)的景觀效果;

（4）3D打印二級護(hù)岸使用的原材料中摻入了建筑廢材，使建筑廢材得到循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)了增材制造的環(huán)保理念。

2 蘇申外港線（江蘇段）航道3D打印二級護(hù)岸的方案設(shè)計(jì)和實(shí)施

2.1 方案設(shè)計(jì)

蘇申外港線（江蘇段）航道是國家高等級航道，是江蘇與上海之間重要的省級貨運(yùn)通道之一。蘇申外港線（江蘇段）航道整治工程的實(shí)施將顯著改善其航運(yùn)條件。鑒于首次在內(nèi)河航道工程中采用3D打印技術(shù)制作二級護(hù)岸結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)單位與3D打印技術(shù)單位不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保制作的結(jié)構(gòu)既能滿足航道整治工程安全穩(wěn)定的要求，又能滿足景觀提升的需求，由此最終形成方案。3D打印技術(shù)呈現(xiàn)的二級護(hù)岸段平面效果見圖1，結(jié)構(gòu)效果見圖2。

該設(shè)計(jì)方案具有以下3個(gè)特點(diǎn)：

（1）采用扶壁式空腔結(jié)構(gòu)，較同等尺寸的混凝土擋墻減少2/3以上的混凝土用量，極大地節(jié)約了原材料的投入。

（2）該結(jié)構(gòu)整體性較好，每段4 m、質(zhì)量約。此分段方式既方便了現(xiàn)場吊裝，又保證了結(jié)構(gòu)的整體性，并能夠在對設(shè)計(jì)的段落線形精確劃分后進(jìn)行逐段打印、逐段安裝，使線形得到良好控制。

（3）頂部設(shè)置錯(cuò)落有致的綠化種植空箱，空箱底部與墻后回填土貫通，實(shí)現(xiàn)水分交互，為植物生長提供水分。種植景觀植物能顯著提升護(hù)岸綠色景觀效果。

2.2 實(shí) 施

2.2.1 護(hù)岸結(jié)構(gòu)生產(chǎn)階段

3D打印護(hù)岸結(jié)構(gòu)生產(chǎn)階段流程為“前期準(zhǔn)備→模型處理→配合比設(shè)計(jì)→打印生產(chǎn)→紋路修整→成品養(yǎng)護(hù)”。

（1）前期準(zhǔn)備。檢查砂漿攪拌輸送設(shè)備是否能正常運(yùn)轉(zhuǎn)、輸送管道是否通暢、3D打印設(shè)備零配件是否完好無損。

（2）模型處理。利用Rhino 3D軟件，將設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模型數(shù)字化轉(zhuǎn)換，通過編程將模型方案輸入3D打印機(jī)，確保連續(xù)打印生產(chǎn)。

（3）配合比設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將原材料進(jìn)行配合比試驗(yàn)，確保滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及打印工作需求。

（4）打印生產(chǎn)。3D打印機(jī)按照程序的設(shè)定移動(dòng)，噴頭擠出3D打印混凝土材料，沿著計(jì)算機(jī)處理過的模型路徑進(jìn)行循環(huán)層層疊加，程序運(yùn)行到空走的路徑時(shí)由工作人員關(guān)閉輸送裝置。程序運(yùn)行中根據(jù)設(shè)計(jì)要求放置鋼筋網(wǎng)片，確保鋼筋網(wǎng)片與3D打印機(jī)的路徑保持一致，并保證上下層混凝土能夠?qū)摻钔耆?/p>

（5）紋理修整。修補(bǔ)人員利用工具對在打印過程中有瑕疵的地方進(jìn)行紋路修整，保證紋路自然、整潔和美觀。

（6）成品養(yǎng)護(hù)。原位常溫養(yǎng)護(hù)1～2天后移出機(jī)床，再灑水養(yǎng)護(hù)1周左右，確保充分養(yǎng)護(hù)，強(qiáng)度滿足運(yùn)輸及吊裝要求。

2.2.2 護(hù)岸現(xiàn)場安裝階段

護(hù)岸現(xiàn)場安裝流程為“支承面準(zhǔn)備→汽車吊準(zhǔn)備→吊裝作業(yè)→測量控制→土方回填”。

（1）支承面準(zhǔn)備。二級護(hù)岸下方支承面采用素土回填，逐層壓實(shí)，分層厚度應(yīng)不大于30 cm，壓實(shí)度不低于88%（輕型擊實(shí)）。回填結(jié)束后，對基底范圍內(nèi)回填土進(jìn)行輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，確保地基承載力不小于100 kPa。為更好地控制3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)的護(hù)岸安裝標(biāo)高，在基底1.4 m范圍內(nèi)采用攤鋪5 cm厚度的砂墊層進(jìn)行找平處理。

（2）汽車吊準(zhǔn)備。根據(jù)結(jié)構(gòu)段重量及吊裝安全要求，本次采用起吊質(zhì)量為35 t的汽車吊。吊裝前將汽車吊停放平穩(wěn)，支腿處加墊鋼板，確保滿足支腿受力要求。

（3）吊裝作業(yè)。吊裝過程中注意緩慢移動(dòng)護(hù)岸塊體，減少晃動(dòng)，在靠近地面時(shí)，利用輔助工具對塊體進(jìn)行定位安放，相鄰塊體之間采用加壓方式，控制沉降縫隙大小。

（4）測量控制。安裝過程中必須不斷地對護(hù)岸塊體進(jìn)行測量控制，確保軸線和標(biāo)高滿足設(shè)計(jì)要求。

（5）土方回填。待護(hù)岸塊體全部安裝完成后，開始回填墻后土方，注意分層回填、分層夯實(shí)，護(hù)岸塊體空腔頂部采用人工回填方式，確?；靥钚Ч?/p>

2.2.3 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)檢測

由于采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)建筑缺乏國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本次檢測采用《建筑用3D打印油墨》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為判定依據(jù)。根據(jù)上海市建筑科學(xué)研究院的檢測結(jié)果，試塊的28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到48 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求的不小于30 MPa的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 小 結(jié)

在本次試驗(yàn)段實(shí)施過程中，發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)的二級護(hù)岸結(jié)構(gòu)存在以下4方面不足：

（1）采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)建筑目前沒有專業(yè)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)建造時(shí)只能參考和借鑒相近的結(jié)構(gòu)和外觀標(biāo)準(zhǔn);

（2）目前的3D打印技術(shù)工藝不夠精細(xì)，導(dǎo)致護(hù)岸局部表面紋理出現(xiàn)變形，人工輔助修復(fù)不佳，影響整體外觀效果;

（3）市場化程度不高，具備3D打印生產(chǎn)條件的廠家較少，導(dǎo)致施工成本較傳統(tǒng)模式?jīng)]有太大優(yōu)勢;

（4）無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場原位打印，若能將打印設(shè)備搬運(yùn)至現(xiàn)場，成本將顯著降低。

近年來，我國建筑市場勞動(dòng)力短缺，砂石、水泥等原材料價(jià)格不斷上漲，石材資源日漸匱乏，環(huán)保壓力與日俱增。如果3D打印技術(shù)能夠克服存在的不足，該技術(shù)在建筑施工領(lǐng)域?qū)⒂懈鼜V闊的發(fā)展空間。

3 結(jié) 語

目前，蘇申外港線（江蘇段）航道采用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)的二級護(hù)岸結(jié)構(gòu)現(xiàn)場已施工完畢，護(hù)岸結(jié)構(gòu)整體性較好，線形流暢，尤其是圓弧段的線形更加美觀，結(jié)合頂部綠化，景觀效果顯著。本次3D打印技術(shù)在內(nèi)河航道工程中的成功應(yīng)用，順應(yīng)了綠色航運(yùn)理念，進(jìn)一步凸顯了綠色、環(huán)保、生態(tài)航道工程的社會價(jià)值。