颠覆传统，开创未来：中交一公院3D打印技术，让工程建设进入“智造”新时代！
时间：2024-11-11 09:13 来源：南极熊 作者：admin 阅读：次
鉴于打印材料的性能对打印可行性、结构力学性能以及最终产品的质量具有决定性影响，为了牢牢把握混凝土3D打印技术应用的主导权，避免其发展步伐受制于材料，抢占先机实现工程领域的广泛应用，中交一公院率先着手进行了多种类型3D打印水泥基材料体系的研发工作，以期灵活适应各类实际应用场景需求。
1、多元复合绿色低碳胶凝材料
采用高掺量的矿物掺合料，解决3D打印水泥基材料中水泥含量高，能耗较高、材料成本较高的难点。可“消纳”工业废弃物含量达50%，经济性显著，环境友好。适用于景观装饰、中小跨径拱桥、建筑小品等。
△多元复合绿色低碳胶凝材料应用示意图
主要应用工程有尧柏水泥集团等3D打印硬质景观项目、西安市常宁新区考古公园混凝土3D打印景观拱桥项目。
2、普通硅酸盐水泥基3D打印材料
实现了混凝土的快速“站立”，解决了3D打印水泥基材料易流动与外观保持的难题。满足不同强度等级（C30-C50）要求构件打印，可工作时间范围广。适用于有一定强度要求的中小型异形景观构件及大尺度结构。
△普通硅酸盐水泥基3D打印材料应用示意图
主要应用工程有异形花园景观水池、京藏高速公路特色化建设-世界屋脊第一长隧G6高速公路羊八井隧道群、全预制拼装箱型固废基3D打印人行景观桥。
3、普通硅酸盐—硫铝酸盐水泥复合3D打印材料
解决了3D打印水泥基材料可泵送与可堆积之间的矛盾，实现超高异形构件的快速打印。可打印时间可控（20min~60min），适用于低温及室温（5~20℃）。强度发展快（6h抗压强度可达20MPa以上），早期强度高，凝结时间短，可满足建筑3D打印的挤出性、可建造性和连续性要求。对大曲率扭转悬挑构件的打印具有显著优势，适用于异形结构、功能装饰、景观小品等。
△普通硅酸盐—硫铝酸盐水泥复合3D打印材料应用示意图
主要应用工程有中交科技城等3D打印硬质景观项目，中交一公院3D打印群组围墙、大门市政景观项目，中交科技城空间双曲面钢混组合结构3D打印连续梁景观桥。
采用这些材料的3D打印工程到底如何实现的？
让我们一起揭开代表性工程的神秘面纱
1、文化、景观小品类工程应用
硬质景观项目。包括景观花池，景观座椅，景观小品等。造型各异，外部具有优美的流线造型，采用扭转等设计手法，形状极富趣味及韵律。
△多种硬质景观工程
项目亮点在于基于首创国内领先的可旋转工具端及矩形打印头，实现预设形状的高精度成型。
△矩形打印头旋转高精度打印及效果
异形花园景观水池。主要由中心部位的喇叭状空心柱、周边三个花瓣状构筑物构成，为水中鱼，小乌龟提供休息平台。
△异形花园景观水池
该方案采用自主开发的空间路径算法，实现了复杂开放式薄壁异形构件的自由建造。
△空间连续路径示意图
京藏高速公路特色化建设-世界屋脊第一长隧G6高速公路羊八井隧道群洞门装饰。羊八井隧道和当雄隧道分别以白色哈达和五彩哈达为原型，两种表面肌理融合在一起象征文化民族文化交融多样。自然舒展的曲线形态给进藏人带来神圣舒心的感受。
△京藏高速公路特色化建设-世界屋脊第一长隧G6高速公路羊八井隧道群
项目亮点在于采用数字化、参数化建模方法，以宝伞画样曲线原型为边界，通过算法生成褶皱质感，为3D打印建造提供更多可能，是世界目前唯一极端环境增材制造混凝土工程。
2、国内近半数增材制造混凝土桥梁工程
全预制拼装箱型固废基3D打印人行景观桥，国内首座无筋混凝土3D打印拱桥。全桥拱圈构件53块，护栏44块，按照实腹式两脚拱设计，桥梁全长9.5m，桥梁净宽2m。
△全预制拼装箱型固废基3D打印人行景观桥
项目突破传统桥梁建造方式，主拱圈、拱背侧墙、台背侧墙、人行道板及护栏均采用3D打印混凝土构件。建造过程中综合考虑材料、装备、环境等因素，结合虚拟建造与打印测试，实现打印参数协同优化设计，显著提高打印质量。
△混凝土3D打印结构质量控制因素
△打印参数协同优化设计
西安市常宁新区考古公园混凝土3D打印景观拱桥项目——西北地区首座3D打印城市景观拱桥“常宁印”，位于陕西省西安市考古博物馆西南侧公园内。拱桥全长19.89米，矢跨比1/4.84，上部结构包括7块主拱圈、4块侧墙、22块护栏以及152块铺装，均利用混凝土3D打印技术建造。
△西北地区首座3D打印城市景观拱桥“常宁印”
项目采用参数化建模技术，实现模型的快速自由调节，简便快捷。
△参数化建模技术
基于斜平面切片方法，灵活运用平面及空间路径拟合技术，配合智能变速技术实现非均匀层积，进而优化打印质量。
△拱圈预制件斜平面切片及路径设计
△3D打印预制构件实物
3、市政、建筑类工程应用
中交一公院3D打印群组围墙、大门市政景观项目，位于陕西省西安市，以青藏高原山脉为灵感，致敬“两路”精神，主要包括围墙工程和门房工程两部分。项目总打印量约400吨，总打印时长约625小时。
△中交一公院3D打印群组围墙、大门市政景观项目
围墙工程由769根完全不同的异形立柱组成，长达304m，是世界上规模最大的定制化阵列式景观围墙。单根立柱高达2.2m，底座尺寸350*240mm，采用参数化设计方法，由梯形截面沿结构重心扭转形成，局部设置悬挑造型，细高比达1:10。其路径设计难点在于大长细比薄壁构件悬挑造型的存在会导致打印过程中的结构重心偏移，进而造成坍塌或倾覆，且常规流程的切片环节可能产生的误差及错误增加了路径失效可能性。
△围墙立柱打印过程
因此，团队提出模型路径一体化参数化建模方法，通过重心同轴优化技术显著提高了个性化悬挑扭转构件的打印成功率，实现了2.2m异形立柱的一次成型，提高打印精度的同时解决了悬挑导致重心偏移造成易坍塌的问题，平均单根打印时间25min~30min。
△模型路径一体化参数化建模
△围墙工程建设效果
门房工程包括4座含有多种复杂预制构件的门房建筑工程，以及一座门牌石。门房最大高度4.7m，最大面积18㎡，底部造型墙和上部异形双曲面屋顶共划分为402块预制打印构件。门牌石长7m，宽1.6m，高2m。
△门牌石建设效果
△门房建设效果
面对这种造型复杂的“大家伙”，3D打印技术难以实现高质量一次成型，只能采取分块打印、现场拼装的方式。结合打印可行性与施工便利性考虑，研发了“模型自适应分块算法”，只要输入限制参数，便自动将模型划分为一块块能够实现3D打印的构件。
△模型自适应分块技术
△门房安装
相比于传统支模现浇的建造方式，混凝土3D打印技术到底好在哪里呢？
（1）建造效率提升：对于大批量的异形混凝土构件来说，相比于传统现浇的施工方式，建造增效70%以上。
（2）可实现度显著提升：项目中多数构件具有艺术造型的建造要求，采用传统工艺实现度较低，过程困难。而3D打印智能建造技术具有个性化、定制化强等特点，可实现度提升50%以上。
（3）成本优化：建造过程具有无模化、少人化等特点，节省模板费用100%。区别于传统的建材制造方式，增材制造过程能够精准控制材料用量，减少材料浪费。
（4）节能减排：3D打印材料可利用再生材料及固废材料，且材料利用率高；3D打印建造过程中低扬尘、低噪声、低污染，对环境的影响较小。
未来，一公院将聚焦“大交通、大城市、大生态”，持续开拓工程结构3D打印智造建造应用场景，不断以技术创新为世界综合交通和城市基础设施建设与运营贡献力量！
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