3D打印技术在水运工程建设的应用

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13d打印技术

3D打印的学术名称为“增材制造”，制造过程中应用已经设计好的三维CAD数学模型，或微处理器控制一台3D打印机快速而精确地层层堆叠出具有较复杂结构的零件、不同成品的部件或完整的成品物件。由于具体堆叠的形式有很多种，因此产生了多种3D打印工艺，每种工艺能够打印的材料类型也不相同，但是基本原理都是“分层制造，逐层叠加”。按照材料堆积方式可以将3D打印的成型技术分为若干类，如光固化成型、激光选区烧结、电子束选区熔化、三维打印成型等，每一类都有特定的应用范围［2］。3D打印技术目前已广泛应用于各个领域，包含工业、农业、科研、医疗、消费电子、航空航天、汽车、政务和军事、建筑等，如图1所示。3D打印的应用分布情况如图2所示。其中，3D建筑打印技术作为3D打印技术的一个分支，相较于传统制造方式具备3D打印技术难以比拟的众多优势，同时又具有强烈的行业特色。1)设计空间大大拓展。3D打印技术将三维实体加工通过数字化转变二维平面加工序列过程，大幅度降低了制造工艺的复杂程度，且建筑类型、复杂性等因素不会增加建设成本，实现成本要比传统技术要低得多、耗费时间短得多、生产制造容易得多。2)环保节能。3D打印建造的过程是增材制造的过程，不同于传统的减材制造，生产过程中浪费的材料很少。而且3D打印不需要模板，应用3D打印技术进行施工建设，不产生扬尘和建筑垃圾，是一种先进的绿色环保技术。3)3D打印在恶劣环境中适应性强。3D打印可以适应恶劣环境，如在高原、雪山、沙漠、海洋、甚至外星球等人为施工条件极其恶劣的环境下进行施工建造。4)操作人员的培训成本大幅降低，生产效率获得很大提高。负责三维CAD数学建模的工作由专业工程师来承担，现场进行3D打印的操作人员分担的工作所需的培训量相对较少。全程由电脑程序操控，设计师的设计自由性大大提高，直接基于CAD设计等的施工建造误差小、精度高，可大幅降低培训成本，并且生产效率得到较大提高。

23D建筑打印技术原理

3D打印建筑设备主要由硬件设备和软件系统构成，其组成如图3所示。3D打印建筑设备的硬件部分，由打印头、导轨、打印臂、打印材料储存装置、打印材料动力运输装置、打印材料输运管路以及控制装置组成。3D打印建筑设备的硬件部分，则必须使用切片软件、上位机控制软件和主控板固件三类软件来操作3D打印机。3D打印的步骤大致如下:1)用CAD软件来创建三维CAD模型。将设计思想转化为计算机屏幕上的图形和模型数据，创建的三维CAD模型用stl三角网格格式存储起来;2)切片软件将三维CAD模型切片分层，从stl导出G代码。G代码指示打印头加热部分移动到指定位置去喷涂半流质的打印材料;3)3D打印操作。只有经历了前两个步骤后，打印机才能够真正地执行打印任务。

3水运工程建设应用

3D打印技术的设想水运工程包括码头工程、防波堤工程、护岸工程、航道工程等，其中大部分的施工建设本质上都是“增材制造”的过程。水运工程通常在海上或河流中施工，受风浪、潮流、洪水的影响，施工条件相对恶劣;其建筑物及构筑物的服役环境通常非常复杂;工程投资大、建设周期长。为了实现水运工程的高效快速建设，提出3D打印技术应用在水运工程建设中的设想，并进行相应的探究和分析。3．13D打印技术在混凝土工程中的应用。钢筋混凝土工程施工，主要由钢筋工程、模板工程和混凝土工程等工序组成。利用3D打印技术进行施工，可以取消模板工程，并可以较好的弥补现场浇筑和预制装配混凝土和混凝土施工工艺的不足。水运工程建设大量涉及到混凝土和钢筋混凝土工程施工，一般分为现场浇筑和预制装配两大工艺。现场浇筑的混凝土和钢筋混凝土的优点在于结构整体性好，抗震、防渗性能强，而缺点是施工难度大、工期较长，模板及支架材料消耗多、现场运输量大、劳动强度高。其中，模板工程中模板质量的优劣，将直接影响混凝土的质量，很多工作需要人工完成，施工效率低，速度慢。特别是港口航道工程施工受水文、气象等自然条件影响较大。利用3D打印机直接浇筑成型技术，采用混凝土等材料逐层堆叠加工生成建筑的方式，取消了模板工序，可以大幅降低工程造价成本［3］，用机械施工代替人工，能够有效地缩短施工工期，加快施工速度。在港口及航道工程中，装配式钢筋混凝土结构被广泛采用，构件的预制采用现代化技术和设备，实行成批、连续生产，因此成本低、质量高，给设计和施工带来极大方便。3D打印技术在其中有很大的利用空间，许多预制构件都能够由3D打印建造的方式在工厂车间生产，也可以在现场进行打印生产。目前，已有以3D打印技术建造装配式建筑的工程实例。3D打印的对象虽然是楼房，但建筑工程施工的原理总体上是相通的，能够为3D打印技术应用于水运工程建设中各类水工建筑物的施工提供一定的参考和借鉴。如2014年中建八局的西虹桥项目中，在装配式建筑中采用了3D打印技术，建造了一幢二层楼房，采用了装配方式进行了一框架结构搭建。楼房体量不算大，建筑高度9m、建筑面积1154m2，由255块预制梁、预制柱、叠合板等预制构件装配而成，预制率高达80%以上。3．23D打印用于建造新型防波堤结构。由于港口及其海岸防护技术要求的提高，在工程实际中对防波堤的要求也越来越高。为了能够减少波浪反射和结构受力，并且降低实际工程造价，近年来各国竞相研究各种新型的防波堤结构。为了满足港口及近海工程不断向深水以及恶劣环境延伸，适应工程建设的需要，研究稳定性好、利用新材料、经济且易施工、环保的新型防波堤结构是一个重要的任务。近年来提出的新型防波堤型式多种多样，如台阶型开孔墙防波堤、双层圆筒开孔墙沉箱防波堤、新型开孔直立式防波堤和新型反弧形防波堤。相较于传统的直立式、斜坡式防波堤型式，新型防波堤的结构复杂多样，对于开孔位置、弧度等参数有较高的精度要求，将会给施工带来很大的困难，提高造价成本。而3D打印不受传统设计建造技术的限制，几乎任何复杂结构的三维物品都能设计并打印实现，且实现成本要比传统技术低得多，耗费时间短得多，施工建造容易得多。利用3D打印技术进行新型防波堤的建造，将三维实体防波堤结构通过数字化转变为二维平面加工序列，能够大幅度降低防波堤施工工艺的复杂程度，这是传统施工远不能与之抗衡的。对于船闸工程输水廊道等部分也可以利用3D打印技术打印出复杂内流道、内部镂空等结构。3．33D打印可以克服恶劣的施工环境。水运工程在海上或河流中施工，施工时需要的船机设备较多，尤其是在海上施工时，由于风浪潮流的影响，施工条件艰苦，影响因素复杂，涨落潮和洪枯水的季节性和时间性极强，施工非常困难。3D打印可以适应恶劣环境，如在高原、雪山、沙漠、海洋、甚至地外星球等人为施工条件极其恶劣的环境下进行施工建造。在水运工程建设中应用3D打印技术将能够降低工程的施工难度;施工时间较少制约于自然条件的限制，进而能够缩短工期，降低造价成本;能够大幅减少现场参与施工的人员，提升施工作业的安全性，尤其是对于极端环境下的水运工程施工意义非凡。

4结语

3D打印建筑技术是一种数字化、机械化、自动化和智能化的技术，是一种正在发展且具有巨大潜力的新技术，为水运工程的快速建设提供了新的思路。不过，目前距离3D打印技术实现应用仍存在许多方面问题有待深入研究。1)打印设备方面，目前使用的3D建筑打印机种类很少，设备制作整体技术上还比较粗糙，无论是精度还是运行速度以及效率都不高，专业的3D建筑打印机设备这一空白亟需填补;2)设计方面，目前建模软件很大一部分是在3D打印领域内通用的软件，专业应用在3D打印施工建造的3D建模软件数量太少，还需要进行深入研究并发掘其功能;3)3D打印建筑的打印材料和传统建筑相比，品种数量还不多，还有待于继续发展;在发展使用普通混凝土进行打印建筑方面也还在探索当中;在使用一些新的混凝土材料及使用方法的应用研究程度还不够;4)要实现3D打印，形成适应新技术的一套严格的建设标准和体系，还有大量工作要完成，包括修改和制定从规划、设计到施工、监理的一系列标准和考核体系，以保证水运工程建设的安全和质量。

参考文献:

［1］欧阳飞，曹周红，胡峰军，等．3D打印在水运工程中的应用展望及面临问题［J］．水利科技与经济，2015(9):105-107．

［2］崔万瑞，李愈馨，李福坤，等．3D打印机体系结构研究［J］．计算机光盘软件与应用，2014(16):127-128．

［3］杨建江，陈响．3D打印建筑技术及应用趋势［J］．施工技术，2015，44(10):84-88．

作者:齐可仁 单位:交通运输部水运科学研究院