顛覆傳統(tǒng),，開創(chuàng)未來：中交一公院3D打印技術(shù)，讓工程建設(shè)進(jìn)入“智造”新時(shí)代！

南極熊導(dǎo)讀：當(dāng)混凝土工程結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)支模現(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(fēng)險(xiǎn)高,、環(huán)境影響大、以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)等行業(yè)共性問題時(shí),，中交第一公路勘察設(shè)計(jì)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(xué)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(dǎo)權(quán)，避免其發(fā)展步伐受制于材料,，搶占先機(jī)實(shí)現(xiàn)工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,，中交一公院率先著手進(jìn)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(shí)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(diǎn)�,？伞跋�納”工業(yè)廢棄物含量達(dá)50%,，經(jīng)濟(jì)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(tuán)等3D打印硬質(zhì)景觀項(xiàng)目,、西安市常寧新區(qū)考古公園混凝土3D打印景觀拱橋項(xiàng)目。

2,、普通硅酸鹽水泥基3D打印材料
實(shí)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(qiáng)度等級（C30-C50）要求構(gòu)件打印,，可工作時(shí)間范圍廣。適用于有一定強(qiáng)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(shí)現(xiàn)超高異形構(gòu)件的快速打印,�,？纱蛴�時(shí)間可控（20min~60min）,，適用于低溫及室溫（5~20℃）。強(qiáng)度發(fā)展快（6h抗壓強(qiáng)度可達(dá)20MPa以上）,，早期強(qiáng)度高,，凝結(jié)時(shí)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(xiàng)目,，中交一公院3D打印群組圍墻,、大門市政景觀項(xiàng)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(shí)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(xiàng)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(jì)手法,，形狀極富趣味及韻律。

△多種硬質(zhì)景觀工程

項(xiàng)目亮點(diǎn)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(shí)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(gè)花瓣?duì)顦?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(shí)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(dāng)雄隧道分別以白色哈達(dá)和五彩哈達(dá)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(jìn)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(xiàng)目亮點(diǎn)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(hù)欄44塊,，按照實(shí)腹式兩腳拱設(shè)計(jì)，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(xiàng)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(hù)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(shí)現(xiàn)打印參數(shù)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jì)

西安市常寧新區(qū)考古公園混凝土3D打印景觀拱橋項(xiàng)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(hù)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(xiàng)目采用參數(shù)化建模技術(shù),，實(shí)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(yùn)用平面及空間路徑擬合技術(shù)，配合智能變速技術(shù)實(shí)現(xiàn)非均勻?qū)臃e,，進(jìn)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(jì)

△3D打印預(yù)制構(gòu)件實(shí)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(xiàng)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(xiàng)目總打印量約400噸,，總打印時(shí)長約625小時(shí),。

△中交一公院3D打印群組圍墻、大門市政景觀項(xiàng)目

圍墻工程由769根完全不同的異形立柱組成,，長達(dá)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(dá)2.2m,，底座尺寸350*240mm,，采用參數(shù)化設(shè)計(jì)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(xì)高比達(dá)1:10。其路徑設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于大長細(xì)比薄壁構(gòu)件懸挑造型的存在會導(dǎo)致打印過程中的結(jié)構(gòu)重心偏移,，進(jìn)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(cuò)誤增加了路徑失效可能性。

△圍墻立柱打印過程

因此,，團(tuán)隊(duì)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(gè)性化懸挑扭轉(zhuǎn)構(gòu)件的打印成功率，實(shí)現(xiàn)了2.2m異形立柱的一次成型,，提高打印精度的同時(shí)解決了懸挑導(dǎo)致重心偏移造成易坍塌的問題,，平均單根打印時(shí)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(shí)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�,，F(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(shí)現(xiàn)度顯著提升：項(xiàng)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(shí)現(xiàn)度較低,，過程困難。而3D打印智能建造技術(shù)具有個(gè)性化,、定制化強(qiáng)等特點(diǎn),，可實(shí)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(diǎn)，節(jié)省模板費(fèi)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(zhǔn)控制材料用量，減少材料浪費(fèi),。

（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(yáng)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(yùn)營貢獻(xiàn)力量,！