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3D打印技术在内河航道整治工程中的应用

范文

李余喜

【摘要】为使3D打印技术在航道整治工程中有更广泛的应用，以苏申外港线（江苏段）航道二级护岸为研究对象，分析3D打印技术原理，并将3D打印技术形成的二级护岸结构与传统护岸结构进行对比。现场试验结果表明，苏申外港线（江苏段）航道采用3D打印技术形成的二级护岸结构整体性较好、线形流畅，尤其是圆弧段的线形更加美观，结合顶部绿化，景观效果显著。3D打印技术在内河航道整治工程中的成功应用，顺应了绿色航运的理念，进一步凸显绿色、环保、生态航道工程的社会价值。

【关键词】 3D打印;二级护岸;航道整治

1 3D打印二级护岸的优势

传统航道二级护岸多为混凝土现浇的刚性结构，或是自锁块、仿木桩、箱式挡墙等预制安装的柔性结构。此类结构虽然能够满足挡土功能并具有一定的景观效果，但整体效果相对较差，消耗较多施工人力。与传统二级护岸结构形式或施工工艺相比，3D打印二级护岸技术具有以下4个明显优势：

（1）采用自动化生产工艺实现护岸结构在车间内自动化生产，提高了护岸施工的工业化水平，有效避免了施工粉尘和噪声;

（2）现场基础施工与车间结构打印同步实施，可以减少现场施工模板拼拆、混凝土浇筑、养护等环节，大大节约模板成本，缩短施工工期，降低工人劳动强度;

（3）结合计算机3D建模技术，突破传统设计理念，能够满足个性化景观设计需求，实现常规工艺无法实现的景观效果;

（4）3D打印二级护岸使用的原材料中掺入了建筑废材，使建筑废材得到循环利用，实现了增材制造的环保理念。

2 苏申外港线（江苏段）航道3D打印二级护岸的方案设计和实施

2.1 方案设计

苏申外港线（江苏段）航道是国家高等级航道，是江苏与上海之间重要的省级货运通道之一。苏申外港线（江苏段）航道整治工程的实施将显著改善其航运条件。鉴于首次在内河航道工程中采用3D打印技术制作二级护岸结构，设计单位与3D打印技术单位不断优化结构设计，确保制作的结构既能满足航道整治工程安全稳定的要求，又能满足景观提升的需求，由此最终形成方案。3D打印技术呈现的二级护岸段平面效果见图1，结构效果见图2。

该设计方案具有以下3个特点：

（1）采用扶壁式空腔结构，较同等尺寸的混凝土挡墙减少2/3以上的混凝土用量，极大地节约了原材料的投入。

（2）该结构整体性较好，每段4 m、质量约。此分段方式既方便了现场吊装，又保证了结构的整体性，并能够在对设计的段落线形精确划分后进行逐段打印、逐段安装，使线形得到良好控制。

（3）顶部设置错落有致的绿化种植空箱，空箱底部与墙后回填土贯通，实现水分交互，为植物生长提供水分。种植景观植物能显著提升护岸绿色景观效果。

2.2 实施

2.2.1 护岸结构生产阶段

3D打印护岸结构生产阶段流程为“前期准备→模型处理→配合比设计→打印生产→纹路修整→成品养护”。

（1）前期准备。检查砂浆搅拌输送设备是否能正常运转、输送管道是否通畅、3D打印设备零配件是否完好无损。

（2）模型处理。利用Rhino 3D软件，将设计方案进行模型数字化转换，通过编程将模型方案输入3D打印机，确保连续打印生产。

（3）配合比设计。根据设计要求，将原材料进行配合比试验，确保满足结构强度要求及打印工作需求。

（4）打印生产。3D打印机按照程序的设定移动，喷头挤出3D打印混凝土材料，沿着计算机处理过的模型路径进行循环层层叠加，程序运行到空走的路径时由工作人员关闭输送装置。程序运行中根据设计要求放置钢筋网片，确保钢筋网片与3D打印机的路径保持一致，并保证上下层混凝土能够将钢筋完全包裹。

（5）纹理修整。修补人员利用工具对在打印过程中有瑕疵的地方进行纹路修整，保证纹路自然、整洁和美观。

（6）成品养护。原位常温养护1～2天后移出机床，再洒水养护1周左右，确保充分养护，强度满足运输及吊装要求。

2.2.2 护岸现场安装阶段

护岸现场安装流程为“支承面准备→汽车吊准备→吊装作业→测量控制→土方回填”。

（1）支承面准备。二级护岸下方支承面采用素土回填，逐层压实，分层厚度应不大于30 cm，压实度不低于88%（轻型击实）。回填结束后，對基底范围内回填土进行轻型动力触探试验，确保地基承载力不小于100 kPa。为更好地控制3D打印技术设计的护岸安装标高，在基底1.4 m范围内采用摊铺5 cm厚度的砂垫层进行找平处理。

（2）汽车吊准备。根据结构段重量及吊装安全要求，本次采用起吊质量为35 t的汽车吊。吊装前将汽车吊停放平稳，支腿处加垫钢板，确保满足支腿受力要求。

（3）吊装作业。吊装过程中注意缓慢移动护岸块体，减少晃动，在靠近地面时，利用辅助工具对块体进行定位安放，相邻块体之间采用加压方式，控制沉降缝隙大小。

（4）测量控制。安装过程中必须不断地对护岸块体进行测量控制，确保轴线和标高满足设计要求。

（5）土方回填。待护岸块体全部安装完成后，开始回填墙后土方，注意分层回填、分层夯实，护岸块体空腔顶部采用人工回填方式，确保回填效果。

2.2.3 结构试验检测

由于采用3D打印技术设计建筑缺乏国家标准或行业标准，本次检测采用《建筑用3D打印油墨》企业标准作为判定依据。根据上海市建筑科学研究院的检测结果，试块的28d抗压强度达到48 MPa，满足设计要求的不小于30 MPa的强度标准。

2.3 小结

在本次试验段实施过程中，发现3D打印技术设计的二级护岸结构存在以下4方面不足：

（1）采用3D打印技术设计建筑目前没有专业的规范和标准，在设计建造时只能参考和借鉴相近的结构和外观标准;

（2）目前的3D打印技术工艺不够精细，导致护岸局部表面纹理出现变形，人工辅助修复不佳，影响整体外观效果;

（3）市场化程度不高，具备3D打印生产条件的厂家较少，导致施工成本较传统模式没有太大优势;

（4）无法实现现场原位打印，若能将打印设备搬运至现场，成本将显著降低。

近年来，我国建筑市场劳动力短缺，砂石、水泥等原材料价格不断上涨，石材资源日渐匮乏，环保压力与日俱增。如果3D打印技术能够克服存在的不足，该技术在建筑施工领域将有更广阔的发展空间。

3 结语

目前，苏申外港线（江苏段）航道采用3D打印技术设计的二级护岸结构现场已施工完毕，护岸结构整体性较好，线形流畅，尤其是圆弧段的线形更加美观，结合顶部绿化，景观效果显著。本次3D打印技术在内河航道工程中的成功应用，顺应了绿色航运理念，进一步凸显了绿色、环保、生态航道工程的社会价值。

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