齊 可 仁

(交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引言

水運(yùn)是現(xiàn)代交通運(yùn)輸體系的重要組成部分，與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)。水運(yùn)設(shè)施作為國(guó)家的重要基礎(chǔ)設(shè)施，具有投資大，建設(shè)周期長(zhǎng)的特點(diǎn)。采用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行快速建設(shè)，歷來(lái)是科技工作者十分關(guān)心和重點(diǎn)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)課題，同時(shí)也是現(xiàn)代水運(yùn)工程建設(shè)的先決條件和根本保障之一[1]。3D打印技術(shù)的興起為實(shí)現(xiàn)水運(yùn)工程高效快速建設(shè)提供了一種可能，其發(fā)展必然會(huì)給水運(yùn)行業(yè)帶來(lái)重要影響。

目前，3D打印在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)成熟，也有了較多的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。就其在水運(yùn)工程建設(shè)中的應(yīng)用而言，3D打印具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性。其應(yīng)用是智慧水運(yùn)、智能港航的體現(xiàn)，是未來(lái)大型化、重型化建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 3D打印技術(shù)

3D打印的學(xué)術(shù)名稱為“增材制造”，制造過(guò)程中應(yīng)用已經(jīng)設(shè)計(jì)好的三維CAD數(shù)學(xué)模型，或微處理器控制一臺(tái)3D打印機(jī)快速而精確地層層堆疊出具有較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件、不同成品的部件或完整的成品物件。由于具體堆疊的形式有很多種，因此產(chǎn)生了多種3D打印工藝，每種工藝能夠打印的材料類型也不相同，但是基本原理都是“分層制造，逐層疊加”。按照材料堆積方式可以將3D打印的成型技術(shù)分為若干類，如光固化成型、激光選區(qū)燒結(jié)、電子束選區(qū)熔化、三維打印成型等，每一類都有特定的應(yīng)用范圍[2]。

3D打印技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包含工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科研、醫(yī)療、消費(fèi)電子、航空航天、汽車、政務(wù)和軍事、建筑等，如圖1所示。3D打印的應(yīng)用分布情況如圖2所示。其中，3D建筑打印技術(shù)作為3D打印技術(shù)的一個(gè)分支，相較于傳統(tǒng)制造方式具備3D打印技術(shù)難以比擬的眾多優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又具有強(qiáng)烈的行業(yè)特色。

1)設(shè)計(jì)空間大大拓展。3D打印技術(shù)將三維實(shí)體加工通過(guò)數(shù)字化轉(zhuǎn)變二維平面加工序列過(guò)程，大幅度降低了制造工藝的復(fù)雜程度，且建筑類型、復(fù)雜性等因素不會(huì)增加建設(shè)成本，實(shí)現(xiàn)成本要比傳統(tǒng)技術(shù)要低得多、耗費(fèi)時(shí)間短得多、生產(chǎn)制造容易得多。

2)環(huán)保節(jié)能。3D打印建造的過(guò)程是增材制造的過(guò)程，不同于傳統(tǒng)的減材制造，生產(chǎn)過(guò)程中浪費(fèi)的材料很少。而且3D打印不需要模板，應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行施工建設(shè)，不產(chǎn)生揚(yáng)塵和建筑垃圾，是一種先進(jìn)的綠色環(huán)保技術(shù)。

3)3D打印在惡劣環(huán)境中適應(yīng)性強(qiáng)。3D打印可以適應(yīng)惡劣環(huán)境，如在高原、雪山、沙漠、海洋、甚至外星球等人為施工條件極其惡劣的環(huán)境下進(jìn)行施工建造。

4)操作人員的培訓(xùn)成本大幅降低，生產(chǎn)效率獲得很大提高。負(fù)責(zé)三維CAD數(shù)學(xué)建模的工作由專業(yè)工程師來(lái)承擔(dān)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行3D打印的操作人員分擔(dān)的工作所需的培訓(xùn)量相對(duì)較少。全程由電腦程序操控，設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)自由性大大提高，直接基于CAD設(shè)計(jì)等的施工建造誤差小、精度高，可大幅降低培訓(xùn)成本，并且生產(chǎn)效率得到較大提高。

2 3D建筑打印技術(shù)原理

3D打印建筑設(shè)備主要由硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)構(gòu)成，其組成如圖3所示。

3D打印建筑設(shè)備的硬件部分，由打印頭、導(dǎo)軌、打印臂、打印材料儲(chǔ)存裝置、打印材料動(dòng)力運(yùn)輸裝置、打印材料輸運(yùn)管路以及控制裝置組成。

3D打印建筑設(shè)備的硬件部分，則必須使用切片軟件、上位機(jī)控制軟件和主控板固件三類軟件來(lái)操作3D打印機(jī)。3D打印的步驟大致如下：

1)用CAD軟件來(lái)創(chuàng)建三維CAD模型。將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)屏幕上的圖形和模型數(shù)據(jù)，創(chuàng)建的三維CAD模型用stl三角網(wǎng)格格式存儲(chǔ)起來(lái)；2)切片軟件將三維CAD模型切片分層，從stl導(dǎo)出G代碼。G代碼指示打印頭加熱部分移動(dòng)到指定位置去噴涂半流質(zhì)的打印材料；3)3D打印操作。只有經(jīng)歷了前兩個(gè)步驟后，打印機(jī)才能夠真正地執(zhí)行打印任務(wù)。

3 水運(yùn)工程建設(shè)應(yīng)用3D打印技術(shù)的設(shè)想

水運(yùn)工程包括碼頭工程、防波堤工程、護(hù)岸工程、航道工程等，其中大部分的施工建設(shè)本質(zhì)上都是“增材制造”的過(guò)程。水運(yùn)工程通常在海上或河流中施工，受風(fēng)浪、潮流、洪水的影響，施工條件相對(duì)惡劣；其建筑物及構(gòu)筑物的服役環(huán)境通常非常復(fù)雜；工程投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)。為了實(shí)現(xiàn)水運(yùn)工程的高效快速建設(shè)，提出3D打印技術(shù)應(yīng)用在水運(yùn)工程建設(shè)中的設(shè)想，并進(jìn)行相應(yīng)的探究和分析。

3.1 3D打印技術(shù)在混凝土工程中的應(yīng)用

鋼筋混凝土工程施工，主要由鋼筋工程、模板工程和混凝土工程等工序組成。利用3D打印技術(shù)進(jìn)行施工，可以取消模板工程，并可以較好的彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)澆筑和預(yù)制裝配混凝土和混凝土施工工藝的不足。

水運(yùn)工程建設(shè)大量涉及到混凝土和鋼筋混凝土工程施工，一般分為現(xiàn)場(chǎng)澆筑和預(yù)制裝配兩大工藝?，F(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土和鋼筋混凝土的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)整體性好，抗震、防滲性能強(qiáng)，而缺點(diǎn)是施工難度大、工期較長(zhǎng)，模板及支架材料消耗多、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高。其中，模板工程中模板質(zhì)量的優(yōu)劣，將直接影響混凝土的質(zhì)量，很多工作需要人工完成，施工效率低，速度慢。特別是港口航道工程施工受水文、氣象等自然條件影響較大。利用3D打印機(jī)直接澆筑成型技術(shù)，采用混凝土等材料逐層堆疊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價(jià)成本[3]，用機(jī)械施工代替人工，能夠有效地縮短施工工期，加快施工速度。

在港口及航道工程中，裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)被廣泛采用，構(gòu)件的預(yù)制采用現(xiàn)代化技術(shù)和設(shè)備，實(shí)行成批、連續(xù)生產(chǎn)，因此成本低、質(zhì)量高，給設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)極大方便。3D打印技術(shù)在其中有很大的利用空間，許多預(yù)制構(gòu)件都能夠由3D打印建造的方式在工廠車間生產(chǎn)，也可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行打印生產(chǎn)。目前，已有以3D打印技術(shù)建造裝配式建筑的工程實(shí)例。3D打印的對(duì)象雖然是樓房，但建筑工程施工的原理總體上是相通的，能夠?yàn)?D打印技術(shù)應(yīng)用于水運(yùn)工程建設(shè)中各類水工建筑物的施工提供一定的參考和借鑒。如2014年中建八局的西虹橋項(xiàng)目中，在裝配式建筑中采用了3D打印技術(shù)，建造了一幢二層樓房，采用了裝配方式進(jìn)行了一框架結(jié)構(gòu)搭建。樓房體量不算大，建筑高度9 m、建筑面積1 154 m2，由255塊預(yù)制梁、預(yù)制柱、疊合板等預(yù)制構(gòu)件裝配而成，預(yù)制率高達(dá)80%以上。

3.2 3D打印用于建造新型防波堤結(jié)構(gòu)

由于港口及其海岸防護(hù)技術(shù)要求的提高，在工程實(shí)際中對(duì)防波堤的要求也越來(lái)越高。為了能夠減少波浪反射和結(jié)構(gòu)受力，并且降低實(shí)際工程造價(jià)，近年來(lái)各國(guó)競(jìng)相研究各種新型的防波堤結(jié)構(gòu)。為了滿足港口及近海工程不斷向深水以及惡劣環(huán)境延伸，適應(yīng)工程建設(shè)的需要，研究穩(wěn)定性好、利用新材料、經(jīng)濟(jì)且易施工、環(huán)保的新型防波堤結(jié)構(gòu)是一個(gè)重要的任務(wù)。近年來(lái)提出的新型防波堤型式多種多樣，如臺(tái)階型開孔墻防波堤、雙層圓筒開孔墻沉箱防波堤、新型開孔直立式防波堤和新型反弧形防波堤。

相較于傳統(tǒng)的直立式、斜坡式防波堤型式，新型防波堤的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，對(duì)于開孔位置、弧度等參數(shù)有較高的精度要求，將會(huì)給施工帶來(lái)很大的困難，提高造價(jià)成本。而3D打印不受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)建造技術(shù)的限制，幾乎任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維物品都能設(shè)計(jì)并打印實(shí)現(xiàn)，且實(shí)現(xiàn)成本要比傳統(tǒng)技術(shù)低得多，耗費(fèi)時(shí)間短得多，施工建造容易得多。利用3D打印技術(shù)進(jìn)行新型防波堤的建造，將三維實(shí)體防波堤結(jié)構(gòu)通過(guò)數(shù)字化轉(zhuǎn)變?yōu)槎S平面加工序列，能夠大幅度降低防波堤施工工藝的復(fù)雜程度，這是傳統(tǒng)施工遠(yuǎn)不能與之抗衡的。對(duì)于船閘工程輸水廊道等部分也可以利用3D打印技術(shù)打印出復(fù)雜內(nèi)流道、內(nèi)部鏤空等結(jié)構(gòu)。

3.3 3D打印可以克服惡劣的施工環(huán)境

水運(yùn)工程在海上或河流中施工，施工時(shí)需要的船機(jī)設(shè)備較多，尤其是在海上施工時(shí)，由于風(fēng)浪潮流的影響，施工條件艱苦，影響因素復(fù)雜，漲落潮和洪枯水的季節(jié)性和時(shí)間性極強(qiáng)，施工非常困難。3D打印可以適應(yīng)惡劣環(huán)境，如在高原、雪山、沙漠、海洋、甚至地外星球等人為施工條件極其惡劣的環(huán)境下進(jìn)行施工建造。在水運(yùn)工程建設(shè)中應(yīng)用3D打印技術(shù)將能夠降低工程的施工難度；施工時(shí)間較少制約于自然條件的限制，進(jìn)而能夠縮短工期，降低造價(jià)成本；能夠大幅減少現(xiàn)場(chǎng)參與施工的人員，提升施工作業(yè)的安全性，尤其是對(duì)于極端環(huán)境下的水運(yùn)工程施工意義非凡。

4 結(jié)語(yǔ)

3D打印建筑技術(shù)是一種數(shù)字化、機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化的技術(shù)，是一種正在發(fā)展且具有巨大潛力的新技術(shù)，為水運(yùn)工程的快速建設(shè)提供了新的思路。不過(guò)，目前距離3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用仍存在許多方面問題有待深入研究。1)打印設(shè)備方面，目前使用的3D建筑打印機(jī)種類很少，設(shè)備制作整體技術(shù)上還比較粗糙，無(wú)論是精度還是運(yùn)行速度以及效率都不高，專業(yè)的3D建筑打印機(jī)設(shè)備這一空白亟需填補(bǔ)；2)設(shè)計(jì)方面，目前建模軟件很大一部分是在3D打印領(lǐng)域內(nèi)通用的軟件，專業(yè)應(yīng)用在3D打印施工建造的3D建模軟件數(shù)量太少，還需要進(jìn)行深入研究并發(fā)掘其功能；3)3D打 印建筑的打印材料和傳統(tǒng)建筑相比，品種數(shù)量還不多，還有待于繼續(xù)發(fā)展；在發(fā)展使用普通混凝土進(jìn)行打印建筑方面也還在探索當(dāng)中；在使用一些新的混凝土材料及使用方法的應(yīng)用研究程度還不夠；4)要實(shí)現(xiàn)3D打印，形成適應(yīng)新技術(shù)的一套嚴(yán)格的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和體系，還有大量工作要完成，包括修改和制定從規(guī)劃、設(shè)計(jì)到施工、監(jiān)理的一系列標(biāo)準(zhǔn)和考核體系，以保證水運(yùn)工程建設(shè)的安全和質(zhì)量。