顛覆傳統(tǒng)，開創(chuàng)未來：中交一公院3D打印技術，讓工程建設進入“智造”新時代！

南極熊導讀：當混凝土工程結構在傳統(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、質量控制難、安全風險高、環(huán)境影響大、以及復雜結構難以實現(xiàn)等行業(yè)共性問題時，中交第一公路勘察設計研究院有限公司（簡稱中交一公院）作為交通建設行業(yè)的領軍企業(yè)，率先將混凝土3D打印技術應用于交通基礎設施領域，相繼在景觀、橋梁、市政等多領域成功應用，走在行業(yè)前列。

鑒于打印材料的性能對打印可行性、結構力學性能以及最終產品的質量具有決定性影響，為了牢牢把握混凝土3D打印技術應用的主導權，避免其發(fā)展步伐受制于材料，搶占先機實現(xiàn)工程領域的廣泛應用，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，以期靈活適應各類實際應用場景需求。

1、多元復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�納”工業(yè)廢棄物含量達50%，經濟性顯著，環(huán)境友好。適用于景觀裝飾、中小跨徑拱橋、建筑小品等。

△多元復合綠色低碳膠凝材料應用示意圖

主要應用工程有堯柏水泥集團等3D打印硬質景觀項目、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件及大尺度結構。

△普通硅酸鹽水泥基3D打印材料應用示意圖

主要應用工程有異形花園景觀水池、京藏高速公路特色化建設-世界屋脊第一長隧G6高速公路羊八井隧道群、全預制拼裝箱型固廢基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)超高異形構件的快速打印。可打印時間可控（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。對大曲率扭轉懸挑構件的打印具有顯著優(yōu)勢，適用于異形結構、功能裝飾、景觀小品等。

△普通硅酸鹽—硫鋁酸鹽水泥復合3D打印材料應用示意圖

主要應用工程有中交科技城等3D打印硬質景觀項目，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構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、景觀小品類工程應用
硬質景觀項目。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，采用扭轉等設計手法，形狀極富趣味及韻律。

△多種硬質景觀工程

項目亮點在于基于首創(chuàng)國內領先的可旋轉工具端及矩形打印頭，實現(xiàn)預設形狀的高精度成型。

△矩形打印頭旋轉高精度打印及效果

異形花園景觀水池。主要由中心部位的喇叭狀空心柱、周邊三個花瓣狀構筑物構成，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)了復雜開放式薄壁異形構件的自由建造。

△空間連續(xù)路徑示意圖

京藏高速公路特色化建設-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-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、國內近半數(shù)增材制造混凝土橋梁工程
全預制拼裝箱型固廢基3D打印人行景觀橋，國內首座無筋混凝土3D打印拱橋。全橋拱圈構件53塊，護欄44塊，按照實腹式兩腳拱設計，橋梁全長9.5m，橋梁凈寬2m。

△全預制拼裝箱型固廢基3D打印人行景觀橋

項目突破傳統(tǒng)橋梁建造方式，主拱圈、拱背側墻、臺背側墻、人行道板及護欄均采用3D打印混凝土構件。建造過程中綜合考慮材料、裝備、環(huán)境等因素，結合虛擬建造與打印測試，實現(xiàn)打印參數(shù)協(xié)同優(yōu)化設計，顯著提高打印質量。

△混凝土3D打印結構質量控制因素

△打印參數(shù)協(xié)同優(yōu)化設計

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公園內。拱橋全長19.89米，矢跨比1/4.84，上部結構包括7塊主拱圈、4塊側墻、22塊護欄以及152塊鋪裝，均利用混凝土3D打印技術建造。

△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，實現(xiàn)模型的快速自由調節(jié)，簡便快捷。

△參數(shù)化建模技術

基于斜平面切片方法，靈活運用平面及空間路徑擬合技術，配合智能變速技術實現(xiàn)非均勻層積，進而優(yōu)化打印質量。

△拱圈預制件斜平面切片及路徑設計

△3D打印預制構件實物

3、市政、建筑類工程應用
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)化設計方法，由梯形截面沿結構重心扭轉形成，局部設置懸挑造型，細高比達1:10。其路徑設計難點在于大長細比薄壁構件懸挑造型的存在會導致打印過程中的結構重心偏移，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)化技術顯著提高了個性化懸挑扭轉構件的打印成功率，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

△圍墻工程建設效果

門房工程包括4座含有多種復雜預制構件的門房建筑工程，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塊預制打印構件。門牌石長7m，寬1.6m，高2m。

△門牌石建設效果

△門房建設效果

面對這種造型復雜的“大家伙”，3D打印技術難以實現(xiàn)高質量一次成型，只能采取分塊打印、現(xiàn)場拼裝的方式。結合打印可行性與施工便利性考慮，研發(fā)了“模型自適應分塊算法”，只要輸入限制參數(shù)，便自動將模型劃分為一塊塊能夠實現(xiàn)3D打印的構件。

△模型自適應分塊技術

△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)構件具有藝術造型的建造要求，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)開拓工程結構3D打印智造建造應用場景，不斷以技術創(chuàng)新為世界綜合交通和城市基礎設施建設與運營貢獻力量！