3D打印生態(tài)框技術(shù)在蘇州河堤防改造工程中的應(yīng)用

摘要：為打造蘇州河景觀休閑長廊，改善沿岸水環(huán)境、水景觀，引入3D打印技術(shù)，制作3D打印生態(tài)框，實(shí)現(xiàn)了綠色快速施工，形成了一套從前期準(zhǔn)備直到現(xiàn)場安裝完整的3D打印預(yù)制混凝土生態(tài)框施工技術(shù)，并重點(diǎn)對三維建模、切片及打印路徑規(guī)劃、打印材料及配合比確定、電腦打印參數(shù)設(shè)定并進(jìn)行優(yōu)化、打印、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：3D打印； 生態(tài)框; 混凝土

中圖分類號：TV871.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0引言

生態(tài)框近年來常用于堤防河岸生態(tài)護(hù)坡，既可以起到減少河道自然環(huán)境的破壞，保持坡面的穩(wěn)定，同時改善水環(huán)境、水景觀［1］。傳統(tǒng)生態(tài)框即為箱型砌塊，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求制作鋼模進(jìn)行生產(chǎn)，運(yùn)至現(xiàn)場進(jìn)行裝配式拼裝［2］。傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的生態(tài)框生產(chǎn)過程中需要投入模板、大量人工，且生態(tài)框外形多棱角分明、外觀規(guī)則，要實(shí)現(xiàn)多弧度美觀造型難以實(shí)現(xiàn)。因此引入3D打印技術(shù)，制作3D打印生態(tài)框，施工過程基本上可以拋棄傳統(tǒng)的砼立模及澆筑工序，可以直接打印成型，不用模板及配套材料，使得施工現(xiàn)場的建筑垃圾減少，施工噪音、粉塵控制等方面也能得到改善，對實(shí)現(xiàn)文明施工和環(huán)境保護(hù)具有十分重要的作用［3］。

1工程概況

上海市蘇州河（真北路—蕰藻浜）堤防達(dá)標(biāo)改造工程分主要分為兩個標(biāo)段，整個工程東起真北路，西到蘇西閘，橫跨上海市5個行政區(qū)，分別為普陀區(qū)、嘉定區(qū)、長寧區(qū)、閔行區(qū)以及青浦區(qū)。工程等別為II等，主要水工建筑物級別為2級。工程的施工時間為：2018 年12月30日—2020年6月底。在郊野風(fēng)光段（G15沈海高速西側(cè)至本標(biāo)段終點(diǎn)，即北岸BX1+221～XW2+429，南岸XM1+074～MW1+931）全部采用3D打印預(yù)制箱型砌塊，共計(jì)9 406 m，14 109塊。

蘇州河堤防達(dá)標(biāo)改造工程是我國水利工程建設(shè)中首次使用3D打印技術(shù)進(jìn)行施工的建筑作品，借助于這一技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了江南風(fēng)景的完美復(fù)制，凸顯了獨(dú)特的小橋流水特色，對上海城市轉(zhuǎn)型升級以及未來全球城市建設(shè)具有重大戰(zhàn)略意義。

23D打印生態(tài)框原理

該項(xiàng)目采用的3D打印機(jī)型號為ZT3D-01型［4］。3D打印預(yù)制混凝土生態(tài)框施工技術(shù)其主要原理是將生態(tài)框構(gòu)件利用計(jì)算機(jī)3D建模和分割生產(chǎn)的三維信息，然后將配制好的特制混凝土拌合物（或砂漿）打印材料通過擠出裝置，按照設(shè)定好的電腦程序在機(jī)械控制下隨著打印噴頭的來回移動，由噴嘴擠出分層打印，一層層的疊加起來，最終形成設(shè)計(jì)的生態(tài)框構(gòu)件，經(jīng)養(yǎng)護(hù)達(dá)到一定強(qiáng)度后運(yùn)輸至現(xiàn)場進(jìn)行安裝。

33D打印生態(tài)框關(guān)鍵技術(shù)

（1）三維建模、切片及打印路徑規(guī)劃。在CAD設(shè)計(jì)圖的基礎(chǔ)上，利用BIM技術(shù)進(jìn)行建模，確定3D打印預(yù)制生態(tài)框的壁厚、長度、寬度、造型圖案等。將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印設(shè)備逐層打印。這種方法無需制造模型模板，減少多余人工和模板材料的投入，消除了模板制造的時間。

（2）打印材料及配合比確定。選擇優(yōu)質(zhì)且符合要求的混凝土拌和材料，通過試驗(yàn)室適配，確定拌合料水灰比，及其他外加劑的摻量，使打印材料的可擠出性、可建造性、粘結(jié)性、施工時間以及強(qiáng)度等滿足施工生產(chǎn)要求［5］。

（3）電腦打印參數(shù)設(shè)定并進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)置打印設(shè)備打印參數(shù)，包括料斗容量、打印速度、層高層厚、出漿量等。上述參數(shù)確 定后要求先進(jìn)行試驗(yàn)，檢查打印出的試驗(yàn)塊成型效果若發(fā)現(xiàn)存在尺寸偏差、掉角、裂紋等質(zhì)量缺陷，通過反復(fù)調(diào)整程序參數(shù)，最終達(dá)到滿意效果，待其質(zhì)量要求穩(wěn)定后，配備多臺打印設(shè)備實(shí)現(xiàn)工業(yè)化作業(yè)，進(jìn)行批量打印生產(chǎn)，生產(chǎn)成型后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)、起吊、轉(zhuǎn)場堆放，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。此施工生產(chǎn)過程基本實(shí)現(xiàn)自動化，過程中只需要少量的開機(jī)監(jiān)控人員和修配人員，人工成本大大降低。

（4）打印、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)輸和現(xiàn)場安裝。養(yǎng)護(hù)14天起吊并轉(zhuǎn)場堆放，再養(yǎng)護(hù)14天后，通過運(yùn)輸卡車將3D打印混凝土生態(tài)框運(yùn)輸至河道堤岸沿線現(xiàn)場，通過墨線畫出生態(tài)框在混凝土基礎(chǔ)上擺放的位置，通過現(xiàn)場挖掘機(jī)機(jī)械吊裝到基礎(chǔ)上，排列整齊，層數(shù)間錯位堆放，并通過砂漿墊襯高低，防止砌塊被搖動，從而達(dá)到安裝要求。此過程施工現(xiàn)場無過多機(jī)械作業(yè)，安裝作業(yè)人員投入也相對較少，施工噪音、粉塵控制得到改善，現(xiàn)場建筑垃圾也大量減少。

4施工工藝流程及操作要點(diǎn)

4.1工藝流程

工藝流程包括從前期準(zhǔn)備到現(xiàn)場安裝，前期準(zhǔn)備—BIM建模—確定結(jié)構(gòu)造型—材料、配合比試驗(yàn)—電腦程序設(shè)定—打印成型—養(yǎng)護(hù)—運(yùn)輸—現(xiàn)場安裝。

4.2操作要點(diǎn)

4.2.1前期準(zhǔn)備

在進(jìn)行打印前，需要做好前期準(zhǔn)備工作，首先需要選定所使用的打印設(shè)備，并對打印設(shè)備進(jìn)行安裝和調(diào)試， 隨后，進(jìn)行打印材料的選定采購及配合比試驗(yàn)，打印場地的平整選定等，見圖1。

4.2.2三維設(shè)計(jì)

在CAD設(shè)計(jì)圖的基礎(chǔ)上，利用BIM技術(shù)進(jìn)行建模，確定3D打印預(yù)制箱型生態(tài)框的壁厚、長度、寬度、高度、造型圖案等。首先，使用計(jì)算機(jī)完成建模；隨后，將模型進(jìn)行三維分區(qū)，做好截面和切片；最后，進(jìn)行逐層打印。三維模型見圖2。

4.2.3切片處理

由計(jì)算機(jī)完成設(shè)計(jì)后，打印機(jī)利用計(jì)算機(jī)程序，對文件中蘊(yùn)含的截面信息進(jìn)行讀取，隨后，將打印材料按照設(shè)定打印出來。并將各個截面粘合，制造出實(shí)體。3D打印對產(chǎn)品形狀的要求度不是很高，幾乎可以打印出任何形狀的物品。

3D打印機(jī)擁有良好的制導(dǎo)功能，且打印精準(zhǔn)度高。其打印出的截面厚度以及平面分辨率，能夠達(dá)到微米級別，厚度能夠保持在100 μm以內(nèi)。打印機(jī)的“墨水滴”直徑，通常也能夠保持在100 μm以內(nèi)。使用傳統(tǒng)的建筑方式，建造一個模型，往往需要幾天的時間，且需要復(fù)雜的尺寸計(jì)算，而利用3D打印，則能夠在幾個小時內(nèi)，完成打印工作，大大提高了生產(chǎn)效率。當(dāng)然，具體的情況，要根據(jù)打印機(jī)的性能以及模型的復(fù)雜程度進(jìn)行判斷。

4.2.4打印材料及配合比試驗(yàn)

在打印前，需要對打印材料進(jìn)行處理，做好強(qiáng)度以及剛度測驗(yàn)，并進(jìn)行配合比試驗(yàn)，在符合設(shè)計(jì)要求的前提下確定最終合適數(shù)據(jù)。

（1）混凝土材料：為滿足打印構(gòu)件的要求，所需的混凝土拌合物必須達(dá)到特定的要求。首先選用早期強(qiáng)度高、凝結(jié)時間短的水泥材料，其次選用盡量粒徑較大的骨料，確?；炷翉?qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，如粒徑過小，除了強(qiáng)度難達(dá)到外，也會增加水泥用量，水化熱過大，但骨料過大易使噴嘴堵住。一般骨料直徑在10 mm以下，顆粒形態(tài)近于圓形。

（2）混凝土配合比;因打印無模板支護(hù)，配制的混凝土配合比要更加合理。除了滿足傳統(tǒng)混凝土的性能要求外，打印所需的混凝土材料必須具有更好的流變性（和易性）以利于從噴嘴中順利擠出，又必須能在露天條件下迅速凝固以防止因自重造成構(gòu)件塌落變形或損壞，保證連續(xù)擠出膠結(jié)成型。同時又要具有較好的可塑性、早期強(qiáng)度，減少其流淌和收縮能力［6］。

該工程采用干混砂漿作為打印材料，它是將水泥、砂子、外加劑按一定的比例在無水狀態(tài)下干拌均勻后形成的混合物，在使用前加水拌合成為干混砂漿用于打印，操作更加方便靈活。

4.2.5電腦程序設(shè)定及打印試驗(yàn)

配合比確定后，即可進(jìn)行打印機(jī)打印參數(shù)設(shè)定，包括料斗容量、打印速度、層高層厚、出漿量等。上述參數(shù)確定后要求先進(jìn)行打印試驗(yàn)，通過打印出的試驗(yàn)塊成型效果發(fā)現(xiàn)局部存在尺寸偏差、掉角、裂紋、顏色不均勻等質(zhì)量缺陷，后續(xù)通過反復(fù)調(diào)整電腦程序參數(shù)，直至達(dá)到滿意效果。

4.2.6正式批量打印成型

試驗(yàn)品產(chǎn)品質(zhì)量要求穩(wěn)定后，即可設(shè)定最終電腦終端數(shù)據(jù)進(jìn)行批量生產(chǎn)打印，同時也要準(zhǔn)備和整理整平好足夠大的場地和簡易廠房，以滿足3D打印生態(tài)框的成型、養(yǎng)護(hù)、起吊和周轉(zhuǎn)堆放等工作。3D打印混凝土生態(tài)框過程中，每次施工層厚是個重要因素，它決定混凝土構(gòu)件表面精度質(zhì)量、速度。層厚過大，雖可提高澆筑效率，但表面精度會有所下降，而層厚過小，就影響了澆筑速度，增加了制作成本。生態(tài)框分層打印過程見圖3，成型的生態(tài)框見圖4。

4.2.7養(yǎng)護(hù)、搬運(yùn)和運(yùn)輸

3D打印生態(tài)框打印完成后4小時進(jìn)行灑水覆蓋養(yǎng)護(hù)，一般養(yǎng)護(hù)14天3D打印生態(tài)框就滿足搬運(yùn)起吊強(qiáng)度，移位再養(yǎng)護(hù)14天后裝車運(yùn)輸至施工現(xiàn)場。生態(tài)框養(yǎng)護(hù)見圖5。

4.2.8現(xiàn)場安裝

4.2.8.1安裝前準(zhǔn)備

（1）混凝土基礎(chǔ)澆筑完成，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，將基礎(chǔ)表面清理干凈。

（2）用墨線按照規(guī)范操作的標(biāo)準(zhǔn)，在基礎(chǔ)混凝土上畫出箱型砌塊需要擺放的具體位置。

（3）若基礎(chǔ)混凝土面與制品面的銜接處出現(xiàn)孔隙，則需要使用灰漿將其鋪設(shè)平整，保證兩者緊貼。

（4）必須反復(fù)檢測連接孔，查看其是否存在混凝土毛刺或者是泥沙等異物。

（5）必須全面檢測起吊所需要的金屬零件以及吊索等，同時監(jiān)視起吊作業(yè)的安全情況。

（6）用挖掘機(jī)將預(yù)制砌塊吊裝到基礎(chǔ)上，排列整齊，用砂漿墊平，防止砌塊搖動。見圖6。

4.2.8.2填充

預(yù)制箱型砌體內(nèi)部先布設(shè)250 g/m2無紡?fù)凉げ?，再回填礫質(zhì)土，礫質(zhì)土的礫石含量宜為15%～20%，同時應(yīng)符合綠化種植土的相關(guān)規(guī)范要求。

4.2.8.3砌塊背部回填及土工布鋪設(shè)

（1）為防止墻后水土流失，應(yīng)在制品的背面鋪設(shè)反濾碎石和400 g/m2土工布。施工完一段長度后盡快實(shí)施回填為原則。

（2）土方填筑好后，再按照圖紙要求的尺寸挖除砌塊背后的土方，用碎石回填作濾水層；回填反濾碎石的厚度不低于20 cm。

4.2.8.4吊裝注意點(diǎn)

箱型砌塊、連接構(gòu)件在搬吊運(yùn)及保管時，必須注意不要損傷制品。 吊裝過程中，相關(guān)的工作人員，需熟悉具體的操作流程，并且熟練的掌握捆綁技術(shù)以及捆綁要點(diǎn)，同時需要根據(jù)設(shè)備形狀，找到吊點(diǎn)中心，確定吊點(diǎn)數(shù)目，捆綁吊索夾角等。計(jì)算好所使用鋼絲繩的承重量，如果不符合使用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，不得進(jìn)行吊裝作業(yè)。

5結(jié)束語

運(yùn)用3D打印技術(shù)預(yù)制混凝土生態(tài)框打造蘇州河休閑長廊施工過程中，摒棄了傳統(tǒng)的混凝土立模及澆筑工序，直接打印成型，不用模板及配套材料，使得施工現(xiàn)場的建筑垃圾減少，施工噪音、粉塵控制等方面也能得到改善，對實(shí)現(xiàn)文明施工和環(huán)境保護(hù)具有十分重要的作用。另外3D打印技術(shù)還能縮短施工時間和降低操作工人的勞動強(qiáng)度，可比傳統(tǒng)預(yù)制工藝時間縮短70%～80%，有力地保證了施工工期。該工程形成的一套從前期準(zhǔn)備直到現(xiàn)場安裝完整的3D打印預(yù)制混凝土生態(tài)框施工技術(shù)為后續(xù)水利工程提供了一定的借鑒和參考，3D打印技術(shù)也必將成為工程領(lǐng)域的一種趨勢。

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［作者簡介］李曉靜（1988—），女，碩士，工程師，主要從事軌道交通科技管理工作。