3D打印生态框技术在苏州河堤防改造工程中的应用

摘要：为打造苏州河景观休闲长廊，改善沿岸水环境、水景观，引入3D打印技术，制作3D打印生态框，实现了绿色快速施工，形成了一套从前期准备直到现场安装完整的3D打印预制混凝土生态框施工技术，并重点对三维建模、切片及打印路径规划、打印材料及配合比确定、电脑打印参数设定并进行优化、打印、养护、运输和现场安装等关键技术进行了阐述。

关键词：3D打印； 生态框; 混凝土

中图分类号：TV871.1文献标志码：B

0引言

生态框近年来常用于堤防河岸生态护坡，既可以起到减少河道自然环境的破坏，保持坡面的稳定，同时改善水环境、水景观［1］。传统生态框即为箱型砌块，根据设计图纸要求制作钢模进行生产，运至现场进行装配式拼装［2］。传统工艺生产的生态框生产过程中需要投入模板、大量人工，且生态框外形多棱角分明、外观规则，要实现多弧度美观造型难以实现。因此引入3D打印技术，制作3D打印生态框，施工过程基本上可以抛弃传统的砼立模及浇筑工序，可以直接打印成型，不用模板及配套材料，使得施工现场的建筑垃圾减少，施工噪音、粉尘控制等方面也能得到改善，对实现文明施工和环境保护具有十分重要的作用［3］。

1工程概况

上海市苏州河（真北路—蕰藻浜）堤防达标改造工程分主要分为两个标段，整个工程东起真北路，西到苏西闸，横跨上海市5个行政区，分别为普陀区、嘉定区、长宁区、闵行区以及青浦区。工程等别为II等，主要水工建筑物级别为2级。工程的施工时间为：2018 年12月30日—2020年6月底。在郊野风光段（G15沈海高速西侧至本标段终点，即北岸BX1+221～XW2+429，南岸XM1+074～MW1+931）全部采用3D打印预制箱型砌块，共计9 406 m，14 109块。

苏州河堤防达标改造工程是我国水利工程建设中首次使用3D打印技术进行施工的建筑作品，借助于这一技术，实现了江南风景的完美复制，凸显了独特的小桥流水特色，对上海城市转型升级以及未来全球城市建设具有重大战略意义。

23D打印生态框原理

该项目采用的3D打印机型号为ZT3D-01型［4］。3D打印预制混凝土生态框施工技术其主要原理是将生态框构件利用计算机3D建模和分割生产的三维信息，然后将配制好的特制混凝土拌合物（或砂浆）打印材料通过挤出装置，按照设定好的电脑程序在机械控制下随着打印喷头的来回移动，由喷嘴挤出分层打印，一层层的叠加起来，最终形成设计的生态框构件，经养护达到一定强度后运输至现场进行安装。

33D打印生态框关键技术

（1）三维建模、切片及打印路径规划。在CAD设计图的基础上，利用BIM技术进行建模，确定3D打印预制生态框的壁厚、长度、宽度、造型图案等。将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印设备逐层打印。这种方法无需制造模型模板，减少多余人工和模板材料的投入，消除了模板制造的时间。

（2）打印材料及配合比确定。选择优质且符合要求的混凝土拌和材料，通过试验室适配，确定拌合料水灰比，及其他外加剂的掺量，使打印材料的可挤出性、可建造性、粘结性、施工时间以及强度等满足施工生产要求［5］。

（3）电脑打印参数设定并进行优化。设置打印设备打印参数，包括料斗容量、打印速度、层高层厚、出浆量等。上述参数确 定后要求先进行试验，检查打印出的试验块成型效果若发现存在尺寸偏差、掉角、裂纹等质量缺陷，通过反复调整程序参数，最终达到满意效果，待其质量要求稳定后，配备多台打印设备实现工业化作业，进行批量打印生产，生产成型后进行养护、起吊、转场堆放，实现批量生产。此施工生产过程基本实现自动化，过程中只需要少量的开机监控人员和修配人员，人工成本大大降低。

（4）打印、养护、运输和现场安装。养护14天起吊并转场堆放，再养护14天后，通过运输卡车将3D打印混凝土生態框运输至河道堤岸沿线现场，通过墨线画出生态框在混凝土基础上摆放的位置，通过现场挖掘机机械吊装到基础上，排列整齐，层数间错位堆放，并通过砂浆垫衬高低，防止砌块被摇动，从而达到安装要求。此过程施工现场无过多机械作业，安装作业人员投入也相对较少，施工噪音、粉尘控制得到改善，现场建筑垃圾也大量减少。

4施工工艺流程及操作要点

4.1工艺流程

工艺流程包括从前期准备到现场安装，前期准备—BIM建模—确定结构造型—材料、配合比试验—电脑程序设定—打印成型—养护—运输—现场安装。

4.2操作要点

4.2.1前期准备

在进行打印前，需要做好前期准备工作，首先需要选定所使用的打印设备，并对打印设备进行安装和调试， 随后，进行打印材料的选定采购及配合比试验，打印场地的平整选定等，见图1。

4.2.2三维设计

在CAD设计图的基础上，利用BIM技术进行建模，确定3D打印预制箱型生态框的壁厚、长度、宽度、高度、造型图案等。首先，使用计算机完成建模；随后，将模型进行三维分区，做好截面和切片；最后，进行逐层打印。三维模型见图2。

4.2.3切片处理

由计算机完成设计后，打印机利用计算机程序，对文件中蕴含的截面信息进行读取，随后，将打印材料按照设定打印出来。并将各个截面粘合，制造出实体。3D打印对产品形状的要求度不是很高，几乎可以打印出任何形状的物品。

3D打印机拥有良好的制导功能，且打印精准度高。其打印出的截面厚度以及平面分辨率，能够达到微米级别，厚度能够保持在100 μm以内。打印机的“墨水滴”直径，通常也能够保持在100 μm以内。使用传统的建筑方式，建造一个模型，往往需要几天的时间，且需要复杂的尺寸计算，而利用3D打印，则能够在几个小时内，完成打印工作，大大提高了生产效率。当然，具体的情况，要根据打印机的性能以及模型的复杂程度进行判断。

4.2.4打印材料及配合比试验

在打印前，需要对打印材料进行处理，做好強度以及刚度测验，并进行配合比试验，在符合设计要求的前提下确定最终合适数据。

（1）混凝土材料：为满足打印构件的要求，所需的混凝土拌合物必须达到特定的要求。首先选用早期强度高、凝结时间短的水泥材料，其次选用尽量粒径较大的骨料，确保混凝土强度满足设计要求，如粒径过小，除了强度难达到外，也会增加水泥用量，水化热过大，但骨料过大易使喷嘴堵住。一般骨料直径在10 mm以下，颗粒形态近于圆形。

（2）混凝土配合比;因打印无模板支护，配制的混凝土配合比要更加合理。除了满足传统混凝土的性能要求外，打印所需的混凝土材料必须具有更好的流变性（和易性）以利于从喷嘴中顺利挤出，又必须能在露天条件下迅速凝固以防止因自重造成构件塌落变形或损坏，保证连续挤出胶结成型。同时又要具有较好的可塑性、早期强度，减少其流淌和收缩能力［6］。

该工程采用干混砂浆作为打印材料，它是将水泥、砂子、外加剂按一定的比例在无水状态下干拌均匀后形成的混合物，在使用前加水拌合成为干混砂浆用于打印，操作更加方便灵活。

4.2.5电脑程序设定及打印试验

配合比确定后，即可进行打印机打印参数设定，包括料斗容量、打印速度、层高层厚、出浆量等。上述参数确定后要求先进行打印试验，通过打印出的试验块成型效果发现局部存在尺寸偏差、掉角、裂纹、颜色不均匀等质量缺陷，后续通过反复调整电脑程序参数，直至达到满意效果。

4.2.6正式批量打印成型

试验品产品质量要求稳定后，即可设定最终电脑终端数据进行批量生产打印，同时也要准备和整理整平好足够大的场地和简易厂房，以满足3D打印生态框的成型、养护、起吊和周转堆放等工作。3D打印混凝土生态框过程中，每次施工层厚是个重要因素，它决定混凝土构件表面精度质量、速度。层厚过大，虽可提高浇筑效率，但表面精度会有所下降，而层厚过小，就影响了浇筑速度，增加了制作成本。生态框分层打印过程见图3，成型的生态框见图4。

4.2.7养护、搬运和运输

3D打印生态框打印完成后4小时进行洒水覆盖养护，一般养护14天3D打印生态框就满足搬运起吊强度，移位再养护14天后装车运输至施工现场。生态框养护见图5。

4.2.8现场安装

4.2.8.1安装前准备

（1）混凝土基础浇筑完成，强度达到设计要求后，将基础表面清理干净。

（2）用墨线按照规范操作的标准，在基础混凝土上画出箱型砌块需要摆放的具体位置。

（3）若基础混凝土面与制品面的衔接处出现孔隙，则需要使用灰浆将其铺设平整，保证两者紧贴。

（4）必须反复检测连接孔，查看其是否存在混凝土毛刺或者是泥沙等异物。

（5）必须全面检测起吊所需要的金属零件以及吊索等，同时监视起吊作业的安全情况。

（6）用挖掘机将预制砌块吊装到基础上，排列整齐，用砂浆垫平，防止砌块摇动。见图6。

4.2.8.2填充

预制箱型砌体内部先布设250 g/m2无纺土工布，再回填砾质土，砾质土的砾石含量宜为15%～20%，同时应符合绿化种植土的相关规范要求。

4.2.8.3砌块背部回填及土工布铺设

（1）为防止墙后水土流失，应在制品的背面铺设反滤碎石和400 g/m2土工布。施工完一段长度后尽快实施回填为原则。

（2）土方填筑好后，再按照图纸要求的尺寸挖除砌块背后的土方，用碎石回填作滤水层；回填反滤碎石的厚度不低于20 cm。

4.2.8.4吊装注意点

箱型砌块、连接构件在搬吊运及保管时，必须注意不要损伤制品。 吊装过程中，相关的工作人员，需熟悉具体的操作流程，并且熟练的掌握捆绑技术以及捆绑要点，同时需要根据设备形状，找到吊点中心，确定吊点数目，捆绑吊索夹角等。计算好所使用钢丝绳的承重量，如果不符合使用标准和规范，不得进行吊装作业。

5结束语

运用3D打印技术预制混凝土生态框打造苏州河休闲长廊施工过程中，摒弃了传统的混凝土立模及浇筑工序，直接打印成型，不用模板及配套材料，使得施工现场的建筑垃圾减少，施工噪音、粉尘控制等方面也能得到改善，对实现文明施工和环境保护具有十分重要的作用。另外3D打印技术还能缩短施工时间和降低操作工人的劳动强度，可比传统预制工艺时间缩短70%～80%，有力地保证了施工工期。该工程形成的一套从前期准备直到现场安装完整的3D打印预制混凝土生态框施工技术为后续水利工程提供了一定的借鉴和参考，3D打印技术也必将成为工程领域的一种趋势。

参考文献

［1］王英丽，陈升魁，陈俊昂，等. 生态护岸技术在南沙区水域公共岸线环境专项整治中的应用［C］//中国水利学会.中国水利学会2021学术年会论文集第五分册.中国水利学会：中国水利学会，2021：73-77.

［2］王飞，张宏伟，王彭国. 预制构件“生态框”在工程中的应用［J］. 山西水利，2022（9）：52-54.

［3］左然芳，董阳，王霞，张栋. 混凝土3D打印技术研究进展与应用现状［C］//中冶建筑研究总院有限公司.2022年工业建筑学术交流会论文集.中冶建筑研究总院有限公司：工业建筑杂志社，2022：1222-1225+1197.

［4］董莘，赵寒涛，吴冈. “打印-加工”一体式3D打印技术的研究［J］. 自动化技术与应用，2015，34（12）：98-100+105.

［5］段珍华，刘一村，肖建庄，等. 混凝土建筑3D打印技术工程应用分析［J］. 施工技术（中英文），2021，50（18）：15-20.［J］.施工技术，2021.50（18）：15-20

［6］薛建英，谭萍. BIM-3D打印技术在异形混凝土构件施工中的应用研究［J］. 混凝土，2020（6）：166-169+174.

［作者简介］李晓静（1988—），女，硕士，工程师，主要从事轨道交通科技管理工作。