3D打印技術在內河航道整治工程中的應用

李余喜

【摘 要】 為使3D打印技術在航道整治工程中有更廣泛的應用，以蘇申外港線（江蘇段）航道二級護岸為研究對象，分析3D打印技術原理，并將3D打印技術形成的二級護岸結構與傳統護岸結構進行對比。現場試驗結果表明，蘇申外港線（江蘇段）航道采用3D打印技術形成的二級護岸結構整體性較好、線形流暢，尤其是圓弧段的線形更加美觀，結合頂部綠化，景觀效果顯著。3D打印技術在內河航道整治工程中的成功應用，順應了綠色航運的理念，進一步凸顯綠色、環(huán)保、生態(tài)航道工程的社會價值。

【關鍵詞】 3D打印;二級護岸;航道整治

1 3D打印二級護岸的優(yōu)勢

傳統航道二級護岸多為混凝土現澆的剛性結構，或是自鎖塊、仿木樁、箱式擋墻等預制安裝的柔性結構。此類結構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。與傳統二級護岸結構形式或施工工藝相比，3D打印二級護岸技術具有以下4個明顯優(yōu)勢：

（1）采用自動化生產工藝實現護岸結構在車間內自動化生產，提高了護岸施工的工業(yè)化水平，有效避免了施工粉塵和噪聲;

（2）現場基礎施工與車間結構打印同步實施，可以減少現場施工模板拼拆、混凝土澆筑、養(yǎng)護等環(huán)節(jié)，大大節(jié)約模板成本，縮短施工工期，降低工人勞動強度;

（3）結合計算機3D建模技術，突破傳統設計理念，能夠滿足個性化景觀設計需求，實現常規(guī)工藝無法實現的景觀效果;

（4）3D打印二級護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，實現了增材制造的環(huán)保理念。

2 蘇申外港線（江蘇段）航道3D打印二級護岸的方案設計和實施

2.1 方案設計

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通道之一。蘇申外港線（江蘇段）航道整治工程的實施將顯著改善其航運條件。鑒于首次在內河航道工程中采用3D打印技術制作二級護岸結構，設計單位與3D打印技術單位不斷優(yōu)化結構設計，確保制作的結構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打印技術呈現的二級護岸段平面效果見圖1，結構效果見圖2。

該設計方案具有以下3個特點：

（1）采用扶壁式空腔結構，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）該結構整體性較好，每段4 m、質量約。此分段方式既方便了現場吊裝，又保證了結構的整體性，并能夠在對設計的段落線形精確劃分后進行逐段打印、逐段安裝，使線形得到良好控制。

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

2.2 實 施

2.2.1 護岸結構生產階段

3D打印護岸結構生產階段流程為“前期準備→模型處理→配合比設計→打印生產→紋路修整→成品養(yǎng)護”。

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

（2）模型處理。利用Rhino 3D軟件，將設計方案進行模型數字化轉換，通過編程將模型方案輸入3D打印機，確保連續(xù)打印生產。

（3）配合比設計。根據設計要求，將原材料進行配合比試驗，確保滿足結構強度要求及打印工作需求。

（4）打印生產。3D打印機按照程序的設定移動，噴頭擠出3D打印混凝土材料，沿著計算機處理過的模型路徑進行循環(huán)層層疊加，程序運行到空走的路徑時由工作人員關閉輸送裝置。程序運行中根據設計要求放置鋼筋網片，確保鋼筋網片與3D打印機的路徑保持一致，并保證上下層混凝土能夠將鋼筋完全包裹。

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

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

2.2.2 護岸現場安裝階段

護岸現場安裝流程為“支承面準備→汽車吊準備→吊裝作業(yè)→測量控制→土方回填”。

（1）支承面準備。二級護岸下方支承面采用素土回填，逐層壓實，分層厚度應不大于30 cm，壓實度不低于88%（輕型擊實）。回填結束后，對基底范圍內回填土進行輕型動力觸探試驗，確保地基承載力不小于100 kPa。為更好地控制3D打印技術設計的護岸安裝標高，在基底1.4 m范圍內采用攤鋪5 cm厚度的砂墊層進行找平處理。

（2）汽車吊準備。根據結構段重量及吊裝安全要求，本次采用起吊質量為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護岸塊體，減少晃動，在靠近地面時，利用輔助工具對塊體進行定位安放，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岸塊體進行測量控制，確保軸線和標高滿足設計要求。

（5）土方回填。待護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，護岸塊體空腔頂部采用人工回填方式，確保回填效果。

2.2.3 結構試驗檢測

由于采用3D打印技術設計建筑缺乏國家標準或行業(yè)標準，本次檢測采用《建筑用3D打印油墨》企業(yè)標準作為判定依據。根據上海市建筑科學研究院的檢測結果，試塊的28d抗壓強度達到48 MPa，滿足設計要求的不小于30 MPa的強度標準。

2.3 小 結

在本次試驗段實施過程中，發(fā)現3D打印技術設計的二級護岸結構存在以下4方面不足：

（1）采用3D打印技術設計建筑目前沒有專業(yè)的規(guī)范和標準，在設計建造時只能參考和借鑒相近的結構和外觀標準;

（2）目前的3D打印技術工藝不夠精細，導致護岸局部表面紋理出現變形，人工輔助修復不佳，影響整體外觀效果;

（3）市場化程度不高，具備3D打印生產條件的廠家較少，導致施工成本較傳統模式沒有太大優(yōu)勢;

（4）無法實現現場原位打印，若能將打印設備搬運至現場，成本將顯著降低。

近年來，我國建筑市場勞動力短缺，砂石、水泥等原材料價格不斷上漲，石材資源日漸匱乏，環(huán)保壓力與日俱增。如果3D打印技術能夠克服存在的不足，該技術在建筑施工領域將有更廣闊的發(fā)展空間。

3 結 語

目前，蘇申外港線（江蘇段）航道采用3D打印技術設計的二級護岸結構現場已施工完畢，護岸結構整體性較好，線形流暢，尤其是圓弧段的線形更加美觀，結合頂部綠化，景觀效果顯著。本次3D打印技術在內河航道工程中的成功應用，順應了綠色航運理念，進一步凸顯了綠色、環(huán)保、生態(tài)航道工程的社會價值。