3D打印生態框技術在蘇州河堤防改造工程中的應用

摘要：為打造蘇州河景觀休閑長廊，改善沿岸水環境、水景觀，引入3D打印技術，制作3D打印生態框，實現了綠色快速施工，形成了一套從前期準備直到現場安裝完整的3D打印預制混凝土生態框施工技術，并重點對三維建模、切片及打印路徑規劃、打印材料及配合比確定、電腦打印參數設定并進行優化、打印、養護、運輸和現場安裝等關鍵技術進行了闡述。

關鍵詞：3D打印； 生態框; 混凝土

中圖分類號：TV871.1文獻標志碼：B

0引言

生態框近年來常用于堤防河岸生態護坡，既可以起到減少河道自然環境的破壞，保持坡面的穩定，同時改善水環境、水景觀［1］。傳統生態框即為箱型砌塊，根據設計圖紙要求制作鋼模進行生產，運至現場進行裝配式拼裝［2］。傳統工藝生產的生態框生產過程中需要投入模板、大量人工，且生態框外形多棱角分明、外觀規則，要實現多弧度美觀造型難以實現。因此引入3D打印技術，制作3D打印生態框，施工過程基本上可以拋棄傳統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，對實現文明施工和環境保護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）堤防達標改造工程分主要分為兩個標段，整個工程東起真北路，西到蘇西閘，橫跨上海市5個行政區，分別為普陀區、嘉定區、長寧區、閔行區以及青浦區。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。在郊野風光段（G15沈海高速西側至本標段終點，即北岸BX1+221～XW2+429，南岸XM1+074～MW1+931）全部采用3D打印預制箱型砌塊，共計9 406 m，14 109塊。

蘇州河堤防達標改造工程是我國水利工程建設中首次使用3D打印技術進行施工的建筑作品，借助于這一技術，實現了江南風景的完美復制，凸顯了獨特的小橋流水特色，對上海城市轉型升級以及未來全球城市建設具有重大戰略意義。

23D打印生態框原理

該項目采用的3D打印機型號為ZT3D-01型［4］。3D打印預制混凝土生態框施工技術其主要原理是將生態框構件利用計算機3D建模和分割生產的三維信息，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，按照設定好的電腦程序在機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，最終形成設計的生態框構件，經養護達到一定強度后運輸至現場進行安裝。

33D打印生態框關鍵技術

（1）三維建模、切片及打印路徑規劃。在CAD設計圖的基礎上，利用BIM技術進行建模，確定3D打印預制生態框的壁厚、長度、寬度、造型圖案等。將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，即切片，從而指導打印設備逐層打印。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。選擇優質且符合要求的混凝土拌和材料，通過試驗室適配，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、粘結性、施工時間以及強度等滿足施工生產要求［5］。

（3）電腦打印參數設定并進行優化。設置打印設備打印參數，包括料斗容量、打印速度、層高層厚、出漿量等。上述參數確 定后要求先進行試驗，檢查打印出的試驗塊成型效果若發現存在尺寸偏差、掉角、裂紋等質量缺陷，通過反復調整程序參數，最終達到滿意效果，待其質量要求穩定后，配備多臺打印設備實現工業化作業，進行批量打印生產，生產成型后進行養護、起吊、轉場堆放，實現批量生產。此施工生產過程基本實現自動化，過程中只需要少量的開機監控人員和修配人員，人工成本大大降低。

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

4施工工藝流程及操作要點

4.1工藝流程

工藝流程包括從前期準備到現場安裝，前期準備—BIM建模—確定結構造型—材料、配合比試驗—電腦程序設定—打印成型—養護—運輸—現場安裝。

4.2操作要點

4.2.1前期準備

在進行打印前，需要做好前期準備工作，首先需要選定所使用的打印設備，并對打印設備進行安裝和調試， 隨后，進行打印材料的選定采購及配合比試驗，打印場地的平整選定等，見圖1。

4.2.2三維設計

在CAD設計圖的基礎上，利用BIM技術進行建模，確定3D打印預制箱型生態框的壁厚、長度、寬度、高度、造型圖案等。首先，使用計算機完成建模；隨后，將模型進行三維分區，做好截面和切片；最后，進行逐層打印。三維模型見圖2。

4.2.3切片處理

由計算機完成設計后，打印機利用計算機程序，對文件中蘊含的截面信息進行讀取，隨后，將打印材料按照設定打印出來。并將各個截面粘合，制造出實體。3D打印對產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打印機擁有良好的制導功能，且打印精準度高。其打印出的截面厚度以及平面分辨率，能夠達到微米級別，厚度能夠保持在100 μm以內。打印機的“墨水滴”直徑，通常也能夠保持在100 μm以內。使用傳統的建筑方式，建造一個模型，往往需要幾天的時間，且需要復雜的尺寸計算，而利用3D打印，則能夠在幾個小時內，完成打印工作，大大提高了生產效率。當然，具體的情況，要根據打印機的性能以及模型的復雜程度進行判斷。

4.2.4打印材料及配合比試驗

在打印前，需要對打印材料進行處理，做好強度以及剛度測驗，并進行配合比試驗，在符合設計要求的前提下確定最終合適數據。

（1）混凝土材料：為滿足打印構件的要求，所需的混凝土拌合物必須達到特定的要求。首先選用早期強度高、凝結時間短的水泥材料，其次選用盡量粒徑較大的骨料，確保混凝土強度滿足設計要求，如粒徑過小，除了強度難達到外，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，顆粒形態近于圓形。

（2）混凝土配合比;因打印無模板支護，配制的混凝土配合比要更加合理。除了滿足傳統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件塌落變形或損壞，保證連續擠出膠結成型。同時又要具有較好的可塑性、早期強度，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電腦程序設定及打印試驗

配合比確定后，即可進行打印機打印參數設定，包括料斗容量、打印速度、層高層厚、出漿量等。上述參數確定后要求先進行打印試驗，通過打印出的試驗塊成型效果發現局部存在尺寸偏差、掉角、裂紋、顏色不均勻等質量缺陷，后續通過反復調整電腦程序參數，直至達到滿意效果。

4.2.6正式批量打印成型

試驗品產品質量要求穩定后，即可設定最終電腦終端數據進行批量生產打印，同時也要準備和整理整平好足夠大的場地和簡易廠房，以滿足3D打印生態框的成型、養護、起吊和周轉堆放等工作。3D打印混凝土生態框過程中，每次施工層厚是個重要因素，它決定混凝土構件表面精度質量、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。生態框分層打印過程見圖3，成型的生態框見圖4。

4.2.7養護、搬運和運輸

3D打印生態框打印完成后4小時進行灑水覆蓋養護，一般養護14天3D打印生態框就滿足搬運起吊強度，移位再養護14天后裝車運輸至施工現場。生態框養護見圖5。

4.2.8現場安裝

4.2.8.1安裝前準備

（1）混凝土基礎澆筑完成，強度達到設計要求后，將基礎表面清理干凈。

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

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

（4）必須反復檢測連接孔，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，同時監視起吊作業的安全情況。

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

4.2.8.2填充

預制箱型砌體內部先布設250 g/m2無紡土工布，再回填礫質土，礫質土的礫石含量宜為15%～20%，同時應符合綠化種植土的相關規范要求。

4.2.8.3砌塊背部回填及土工布鋪設

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

（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

箱型砌塊、連接構件在搬吊運及保管時，必須注意不要損傷制品。 吊裝過程中，相關的工作人員，需熟悉具體的操作流程，并且熟練的掌握捆綁技術以及捆綁要點，同時需要根據設備形狀，找到吊點中心，確定吊點數目，捆綁吊索夾角等。計算好所使用鋼絲繩的承重量，如果不符合使用標準和規范，不得進行吊裝作業。

5結束語

運用3D打印技術預制混凝土生態框打造蘇州河休閑長廊施工過程中，摒棄了傳統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，對實現文明施工和環境保護具有十分重要的作用。另外3D打印技術還能縮短施工時間和降低操作工人的勞動強度，可比傳統預制工藝時間縮短70%～80%，有力地保證了施工工期。該工程形成的一套從前期準備直到現場安裝完整的3D打印預制混凝土生態框施工技術為后續水利工程提供了一定的借鑒和參考，3D打印技術也必將成為工程領域的一種趨勢。

參考文獻

［1］王英麗，陳升魁，陳俊昂，等. 生態護岸技術在南沙區水域公共岸線環境專項整治中的應用［C］//中國水利學會.中國水利學會2021學術年會論文集第五分冊.中國水利學會：中國水利學會，2021：73-77.

［2］王飛，張宏偉，王彭國. 預制構件“生態框”在工程中的應用［J］. 山西水利，2022（9）：52-54.

［3］左然芳，董陽，王霞，張棟. 混凝土3D打印技術研究進展與應用現狀［C］//中冶建筑研究總院有限公司.2022年工業建筑學術交流會論文集.中冶建筑研究總院有限公司：工業建筑雜志社，2022：1222-1225+1197.

［4］董莘，趙寒濤，吳岡. “打印-加工”一體式3D打印技術的研究［J］. 自動化技術與應用，2015，34（12）：98-100+105.

［5］段珍華，劉一村，肖建莊，等. 混凝土建筑3D打印技術工程應用分析［J］. 施工技術（中英文），2021，50（18）：15-20.［J］.施工技術，2021.50（18）：15-20

［6］薛建英，譚萍. BIM-3D打印技術在異形混凝土構件施工中的應用研究［J］. 混凝土，2020（6）：166-169+174.

［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。