南極熊導讀：當混凝土工程結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)支?，F(xiàn)澆的施工方式下，面臨人力及模板成本高、施工周期長、質(zhì)量控制難、安全風險高、環(huán)境影響大、以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)等行業(yè)共性問題時，中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司（簡稱中交一公院）作為交通建設(shè)行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，率先將混凝土3D打印技術(shù)應(yīng)用于交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，相繼在景觀、橋梁、市政等多領(lǐng)域成功應(yīng)用，走在行業(yè)前列。
鑒于打印材料的性能對打印可行性、結(jié)構(gòu)力學性能以及最終產(chǎn)品的質(zhì)量具有決定性影響，為了牢牢把握混凝土3D打印技術(shù)應(yīng)用的主導權(quán)，避免其發(fā)展步伐受制于材料，搶占先機實現(xiàn)工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，中交一公院率先著手進行了多種類型3D打印水泥基材料體系的研發(fā)工作，以期靈活適應(yīng)各類實際應(yīng)用場景需求。
1、多元復(fù)合綠色低碳膠凝材料
采用高摻量的礦物摻合料，解決3D打印水泥基材料中水泥含量高，能耗較高、材料成本較高的難點?？伞跋{”工業(yè)廢棄物含量達50%，經(jīng)濟性顯著，環(huán)境友好。適用于景觀裝飾、中小跨徑拱橋、建筑小品等。
△多元復(fù)合綠色低碳膠凝材料應(yīng)用示意圖
主要應(yīng)用工程有堯柏水泥集團等3D打印硬質(zhì)景觀項目、西安市常寧新區(qū)考古公園混凝土3D打印景觀拱橋項目。
2、普通硅酸鹽水泥基3D打印材料
實現(xiàn)了混凝土的快速“站立”，解決了3D打印水泥基材料易流動與外觀保持的難題。滿足不同強度等級（C30-C50）要求構(gòu)件打印，可工作時間范圍廣。適用于有一定強度要求的中小型異形景觀構(gòu)件及大尺度結(jié)構(gòu)。
△普通硅酸鹽水泥基3D打印材料應(yīng)用示意圖
主要應(yīng)用工程有異形花園景觀水池、京藏高速公路特色化建設(shè)-世界屋脊第一長隧G6高速公路羊八井隧道群、全預(yù)制拼裝箱型固廢基3D打印人行景觀橋。
3、普通硅酸鹽—硫鋁酸鹽水泥復(fù)合3D打印材料
解決了3D打印水泥基材料可泵送與可堆積之間的矛盾，實現(xiàn)超高異形構(gòu)件的快速打印?？纱蛴r間可控（20min~60min），適用于低溫及室溫（5~20℃）。強度發(fā)展快（6h抗壓強度可達20MPa以上），早期強度高，凝結(jié)時間短，可滿足建筑3D打印的擠出性、可建造性和連續(xù)性要求。對大曲率扭轉(zhuǎn)懸挑構(gòu)件的打印具有顯著優(yōu)勢，適用于異形結(jié)構(gòu)、功能裝飾、景觀小品等。
△普通硅酸鹽—硫鋁酸鹽水泥復(fù)合3D打印材料應(yīng)用示意圖
主要應(yīng)用工程有中交科技城等3D打印硬質(zhì)景觀項目，中交一公院3D打印群組圍墻、大門市政景觀項目，中交科技城空間雙曲面鋼混組合結(jié)構(gòu)3D打印連續(xù)梁景觀橋。
采用這些材料的3D打印工程到底如何實現(xiàn)的？
讓我們一起揭開代表性工程的神秘面紗
1、文化、景觀小品類工程應(yīng)用
硬質(zhì)景觀項目。包括景觀花池，景觀座椅，景觀小品等。造型各異，外部具有優(yōu)美的流線造型，采用扭轉(zhuǎn)等設(shè)計手法，形狀極富趣味及韻律。
△多種硬質(zhì)景觀工程
項目亮點在于基于首創(chuàng)國內(nèi)領(lǐng)先的可旋轉(zhuǎn)工具端及矩形打印頭，實現(xiàn)預(yù)設(shè)形狀的高精度成型。
△矩形打印頭旋轉(zhuǎn)高精度打印及效果
異形花園景觀水池。主要由中心部位的喇叭狀空心柱、周邊三個花瓣狀構(gòu)筑物構(gòu)成，為水中魚，小烏龜提供休息平臺。
△異形花園景觀水池
該方案采用自主開發(fā)的空間路徑算法，實現(xiàn)了復(fù)雜開放式薄壁異形構(gòu)件的自由建造。
△空間連續(xù)路徑示意圖
京藏高速公路特色化建設(shè)-世界屋脊第一長隧G6高速公路羊八井隧道群洞門裝飾。羊八井隧道和當雄隧道分別以白色哈達和五彩哈達為原型，兩種表面肌理融合在一起象征文化民族文化交融多樣。自然舒展的曲線形態(tài)給進藏人帶來神圣舒心的感受。
△京藏高速公路特色化建設(shè)-世界屋脊第一長隧G6高速公路羊八井隧道群
項目亮點在于采用數(shù)字化、參數(shù)化建模方法，以寶傘畫樣曲線原型為邊界，通過算法生成褶皺質(zhì)感，為3D打印建造提供更多可能，是世界目前唯一極端環(huán)境增材制造混凝土工程。
2、國內(nèi)近半數(shù)增材制造混凝土橋梁工程
全預(yù)制拼裝箱型固廢基3D打印人行景觀橋，國內(nèi)首座無筋混凝土3D打印拱橋。全橋拱圈構(gòu)件53塊，護欄44塊，按照實腹式兩腳拱設(shè)計，橋梁全長9.5m，橋梁凈寬2m。
△全預(yù)制拼裝箱型固廢基3D打印人行景觀橋
項目突破傳統(tǒng)橋梁建造方式，主拱圈、拱背側(cè)墻、臺背側(cè)墻、人行道板及護欄均采用3D打印混凝土構(gòu)件。建造過程中綜合考慮材料、裝備、環(huán)境等因素，結(jié)合虛擬建造與打印測試，實現(xiàn)打印參數(shù)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計，顯著提高打印質(zhì)量。
△混凝土3D打印結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制因素
△打印參數(shù)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計
西安市常寧新區(qū)考古公園混凝土3D打印景觀拱橋項目——西北地區(qū)首座3D打印城市景觀拱橋“常寧印”，位于陜西省西安市考古博物館西南側(cè)公園內(nèi)。拱橋全長19.89米，矢跨比1/4.84，上部結(jié)構(gòu)包括7塊主拱圈、4塊側(cè)墻、22塊護欄以及152塊鋪裝，均利用混凝土3D打印技術(shù)建造。
△西北地區(qū)首座3D打印城市景觀拱橋“常寧印”
項目采用參數(shù)化建模技術(shù)，實現(xiàn)模型的快速自由調(diào)節(jié)，簡便快捷。
△參數(shù)化建模技術(shù)
基于斜平面切片方法，靈活運用平面及空間路徑擬合技術(shù)，配合智能變速技術(shù)實現(xiàn)非均勻?qū)臃e，進而優(yōu)化打印質(zhì)量。
△拱圈預(yù)制件斜平面切片及路徑設(shè)計
△3D打印預(yù)制構(gòu)件實物
3、市政、建筑類工程應(yīng)用
中交一公院3D打印群組圍墻、大門市政景觀項目，位于陜西省西安市，以青藏高原山脈為靈感，致敬“兩路”精神，主要包括圍墻工程和門房工程兩部分。項目總打印量約400噸，總打印時長約625小時。
△中交一公院3D打印群組圍墻、大門市政景觀項目
圍墻工程由769根完全不同的異形立柱組成，長達304m，是世界上規(guī)模最大的定制化陣列式景觀圍墻。單根立柱高達2.2m，底座尺寸350*240mm，采用參數(shù)化設(shè)計方法，由梯形截面沿結(jié)構(gòu)重心扭轉(zhuǎn)形成，局部設(shè)置懸挑造型，細高比達1:10。其路徑設(shè)計難點在于大長細比薄壁構(gòu)件懸挑造型的存在會導致打印過程中的結(jié)構(gòu)重心偏移，進而造成坍塌或傾覆，且常規(guī)流程的切片環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生的誤差及錯誤增加了路徑失效可能性。
△圍墻立柱打印過程
因此，團隊提出模型路徑一體化參數(shù)化建模方法，通過重心同軸優(yōu)化技術(shù)顯著提高了個性化懸挑扭轉(zhuǎn)構(gòu)件的打印成功率，實現(xiàn)了2.2m異形立柱的一次成型，提高打印精度的同時解決了懸挑導致重心偏移造成易坍塌的問題，平均單根打印時間25min~30min。
△模型路徑一體化參數(shù)化建模
△圍墻工程建設(shè)效果
門房工程包括4座含有多種復(fù)雜預(yù)制構(gòu)件的門房建筑工程，以及一座門牌石。門房最大高度4.7m，最大面積18㎡，底部造型墻和上部異形雙曲面屋頂共劃分為402塊預(yù)制打印構(gòu)件。門牌石長7m，寬1.6m，高2m。
△門牌石建設(shè)效果 △門房建設(shè)效果
面對這種造型復(fù)雜的“大家伙”，3D打印技術(shù)難以實現(xiàn)高質(zhì)量一次成型，只能采取分塊打印、現(xiàn)場拼裝的方式。結(jié)合打印可行性與施工便利性考慮，研發(fā)了“模型自適應(yīng)分塊算法”，只要輸入限制參數(shù)，便自動將模型劃分為一塊塊能夠?qū)崿F(xiàn)3D打印的構(gòu)件。
△模型自適應(yīng)分塊技術(shù)
△門房安裝
相比于傳統(tǒng)支模現(xiàn)澆的建造方式，混凝土3D打印技術(shù)到底好在哪里呢？
（1）建造效率提升：對于大批量的異形混凝土構(gòu)件來說，相比于傳統(tǒng)現(xiàn)澆的施工方式，建造增效70%以上。
（2）可實現(xiàn)度顯著提升：項目中多數(shù)構(gòu)件具有藝術(shù)造型的建造要求，采用傳統(tǒng)工藝實現(xiàn)度較低，過程困難。而3D打印智能建造技術(shù)具有個性化、定制化強等特點，可實現(xiàn)度提升50%以上。
（3）成本優(yōu)化：建造過程具有無?；?、少人化等特點，節(jié)省模板費用100%。區(qū)別于傳統(tǒng)的建材制造方式，增材制造過程能夠精準控制材料用量，減少材料浪費。
（4）節(jié)能減排：3D打印材料可利用再生材料及固廢材料，且材料利用率高；3D打印建造過程中低揚塵、低噪聲、低污染，對環(huán)境的影響較小。
未來，一公院將聚焦“大交通、大城市、大生態(tài)”，持續(xù)開拓工程結(jié)構(gòu)3D打印智造建造應(yīng)用場景，不斷以技術(shù)創(chuàng)新為世界綜合交通和城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與運營貢獻力量！
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