3D打印技术在水运工程中的探索

2018-12-20陈明佳何扬

中国水运 2018年12期

陈明佳，何扬

（1.中交国际航运有限公司，天津 300000；2.中交海洋建设开发有限公司，天津 300000）

1 3D打印建筑概述

3D打印建筑是按照预先设计的建筑图纸程序（一般基于BIM技术），使用特制的打印材料，通过机器设备自动打印出来（图1），达到建设标准且具备实用功能的建筑。目前阶段该技术主要是以选择性沉积打印技术为基础的“轮廓工艺”[1-2]（南加州大学赫洛克·霍什内维斯教授发明），将混凝土等建筑材料通过3D打印机的喷头挤出（图2），采用连续打印、层层叠加的方式进行建造，打印材料挤出后会很快凝固，保证打印机能连续打印。

3D打印建筑的建造方式主要包括装配式3D打印构件拼装、现场整体3D打印成型两种。装配式可在3D打印的框架空腔中配置横向、竖向钢筋，并可在空腔内进行材料填充形成3D打印配筋砌体、剪力墙等结构，其代表建筑为盈创公司在苏州厂区打印的六层试验建筑，该建筑采用配筋砌体、剪力墙标准打印，装配式安装，建筑面积865平方米，一天打印一层，5天安装一层。现场整体3D打印成型一般是在绑扎成型的建筑钢筋骨架上直接进行3D打印，其代表建筑由北京华商腾达在2016年现场整体打印完成，建筑共两层（层高3米），整体400平方，墙体厚度为250毫米，该建筑的基础和墙体使用了大约20吨的钢筋、380立方米的C30级混凝土，实际成本约每平米造价500元，经试验检测可承受八级地震的强度。

3D打印技术在水运工程的运用中，可以综合考虑以上两种建造方式。

图1 3D打印建筑施工示意图

图2 3D打印机施工照片

2 3D打印技术在水运工程中的优势

（1）节省人工：3D打印取消了施工模具的装拆，混凝土无需进行人工振捣，大大减少了建筑工人的使用，并降低了工人的劳动强度。

（2）节省材料：在混凝土构件中，3D打印可以打印空心构件，任意设计结构和选择填充材料，可有效降低混凝土使用量，且可以选择性降低结构吊装自重。另外可以省去大批模板费用，由于水运工程中很多异形结构，在一个工程上使用过后很难在另外的工程中继续使用，导致模板浪费较大，而3D打印不需要模板。

（3）缩短工期：由于不需要模板的安装和拆卸，有效缩短了工期。

（4）质量可靠：相较传统水运工程施工工艺，3D打印可克服人为操作偏差，且抗震保温效果均有增强，产品质量有更好的保障。

（5）变废为宝：建筑原材可采用建筑垃圾、工业垃圾、矿山尾矿等，通过科学分类处理可以用在水运工程主体结构或者填充材料中，实现可循环经济。

（6）绿色施工：在施工过程中采用干法施工，有效避免施工粉尘和噪音，且打印废料极少。

（7）简便高效：在计算机上完成设计，突破现行设计理念，高效、高精度地实现多样化、功能化复杂结构的设计与建造。

随着我国建筑市场劳动力短缺及成本上升，以及社会对复杂工艺和高效率的要求、石材资源的日渐匮乏、环保压力的加大等因素的日益凸显，3D打印技术在水运工程施工领域将有更广阔的发展空间。

3 在水运工程中应用的展望

当前技术水平下的3D打印技术在水运工程中已经初步具备应用的条件，并且优势明显，有较为广阔的发展空间。

3.1 在沉箱预制场的运用

传统沉箱预制工艺（图3）极为繁琐，沉箱分层浇注受模板高度限制，一个仅12米高的沉箱一般从下到上分成3段（进行三次循环施工，每次循环时间大约为一周，完成3次循环需要3周时间），每一段的施工都包括以下步骤：制作整平台座→平台铺设及放线→绑扎钢筋→跳仓吊装一半内芯模板→绑扎全部钢筋检查验收→吊装另一半内芯→吊装外模板→模板尺寸找平验收→浇筑混凝土→接茬面处理→拆模→养护→下一循环。沉箱预制的每一个循环都占用了大量的时间和人力；沉箱预制场的场地基础要求比较严格，需要的场地较大，场地建设费用较高；沉箱模板费用较高且极为笨重，在混凝土浇筑过程中模板的安全风险也较大。

图3 常规沉箱预制场景

图4 可参考的3D打印建筑模式

如果采用3D打印建筑技术，将有效解决以上问题。首先，可以放弃笨重繁琐的模板、减少操作人工，在绑扎完成钢筋骨架的基础上，只需工人启动3D打印机的打印程序，即可自动化打印无需模板的沉箱结构（图4）。其次，由于3D打印建筑可以打印特有的内部空心桁架混凝土结构（图2），通过空心桁架结构替代传统沉箱壁的实心厚壁结构，可有效降低混凝土和钢筋的使用量，并可降低沉箱自重节约出运成本。另外，3D打印技术在工期节约上效果明显。如12米高的沉箱按照一层打印0.2米高度、半小时打印一层(单层打印所用的时间≤混凝土初凝时间)的速度计算，整个12米沉箱单纯打印混凝土的时间总计仅30个小时。由于钢筋绑扎需要时间，且混凝土一次不宜打印过高，可考虑每打印4米的高度（耗时10小时）就暂停打印，即将12米高的沉箱分三段进行打印，每段的施工主要工序包括“绑扎钢筋检查验收→3D打印混凝土→下一循环”。从工期上进行计算，每段（4米高度）打印10小时就进行养护并绑扎钢筋，绑扎钢筋时间按照1个工作日计算，总计约7天即可完成一个12米高沉箱的打印。相比传统工艺所需的3周时间和繁琐的工艺，3D打印技术在工期和工序上优势明显。

此外，在传统施工中，一般使用半潜驳进行沉箱的出运。半潜驳由于其体积大、两侧壁高，比较适宜改造为水上3D打印船，由于半潜驳两侧的高壁可以有效替代3D打印设备的轨道门机，仅需在半潜驳上安装打印喷头和仓储设备即可，半潜驳改造成为3D打印船的成本极低。沉箱直接在半潜驳上面进行3D打印，打印完成后，移至水中养护和存放，这样就一次性的省去了沉箱预制场选址建设的巨额费用，大大提高了重力式码头的施工利润。

图5 沉箱出运照片

3.2 在防波堤及码头胸墙上的运用

对于港口施工，除了重力式码头的基础箱体在预制上采用3D打印技术可取得突破外，在防波堤及码头胸墙等上部结构上也可以广泛的应用3D打印技术，可以将3D打印机械运至码头现场直接进行现场打印或者是工厂打印后运至现场进行安装。在充分考虑胸墙抗滑移和抗倾稳定性的同时，可在3D打印后的内部框架中进行其他材料的填充。这样可以在满足设计要求的前提下，充分地加快工期并节省材料。

3.3 催生相关物流及租赁业务

对于3D打印建筑业务比较集中的区域，可以设置3D打印工厂，通过物流系统运转到周边所需工程区域进行安装。对于3D打印短时间需求较大且远离3D打印工厂的大型工程，比如非洲地区的沉箱预制工程，可以考虑3D打印设备调遣到施工现场。待3D打印建筑技术普及到一定阶段时，可在全球布局3D打印设备租赁基地，比如在非洲、东南亚、拉美等地设置租赁基地，当周边地区有大型港口、房建、桥梁项目时，就可以通过物流系统将打印设备运输至工程场地进行直接打印施工，待完成相关打印工作后，再调遣至周边其他使用区域或运回租赁基地进行维修保养。

4 3D打印技术在水运工程应用中存在的问题

（1）水工建筑全部采用3D打印方式的行业标准尚属空白，有待全行业探讨建立。

（2）3D打印建筑目前没有专业的规范和标准，在水运工程中更是未有过应用，在设计建造时只能参考借鉴相近的结构和外观建筑标准，并通过实验设计来确保其结构等方面的安全可靠。

（3）3D打印建筑设备还有较大提升空间。盈创公司所用的3D打印建筑设备高6米、长36米、宽12米，底面占地面积有一个篮球场那么大，未来仍需将其结构大幅缩小。

（4）目前一些3D打印建筑所采用的“油墨”由高标号水泥和玻璃纤维构成，在部分国家禁止建筑大量使用玻璃纤维。

（5）打印材料抗压强度、抗折强度、耐久性等综合性能[3-4]是否符合标准，还需权威检测和认证。

（6）国内3D建筑现阶段整体尚处研发和概念性阶段，前期研发成本相对较高，业主和设计人员对3D打印技术在水工上的运用还比较陌生，距大范围推广尚有距离。

5 夯实基础工作，稳步推进3D打印技术

因为3D打印技术在水运工程应用中还存在着不少的难点和困难，所以在实践中要夯实基础工作的管理，稳步推进3D打印技术在水运工程中的应用。

首先，从基本工作着手，把3D打印技术在水运工程中应用的相关打印材料、工艺流程、施工方法、技术路线、验收规范等都形成标准。在相关过程要收集确定标准的技术指标、参数、性能要求、试验方法、公式、检验规则等的论据（包括试验、统计数据），以及主要试验（或验证）的分析、综述报告，技术经济论证，预期的经济效果，贯彻标准的要求和措施建议（包括组织措施、技术措施、过渡办法等内容）。

其次，在3D打印建筑成品的基础研发中，不仅要对外形，更重要的是对内部结构、刚度、综合强度、防火性、使用年限等许多方面进行综合系统考虑。要把相关产品送至机构测试认证，确保符合监管标准。