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13d打印技術

3D打印的學術名稱為“增材制造”，制造過程中應用已經設計好的三維CAD數學模型，或微處理器控制一臺3D打印機快速而精確地層層堆疊出具有較復雜結構的零件、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打印的成型技術分為若干類，如光固化成型、激光選區燒結、電子束選區熔化、三維打印成型等，每一類都有特定的應用范圍［2］。3D打印技術目前已廣泛應用于各個領域，包含工業、農業、科研、醫療、消費電子、航空航天、汽車、政務和軍事、建筑等，如圖1所示。3D打印的應用分布情況如圖2所示。其中，3D建筑打印技術作為3D打印技術的一個分支，相較于傳統制造方式具備3D打印技術難以比擬的眾多優勢，同時又具有強烈的行業特色。1)設計空間大大拓展。3D打印技術將三維實體加工通過數字化轉變二維平面加工序列過程，大幅度降低了制造工藝的復雜程度，且建筑類型、復雜性等因素不會增加建設成本，實現成本要比傳統技術要低得多、耗費時間短得多、生產制造容易得多。2)環保節能。3D打印建造的過程是增材制造的過程，不同于傳統的減材制造，生產過程中浪費的材料很少。而且3D打印不需要模板，應用3D打印技術進行施工建設，不產生揚塵和建筑垃圾，是一種先進的綠色環保技術。3)3D打印在惡劣環境中適應性強。3D打印可以適應惡劣環境，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境下進行施工建造。4)操作人員的培訓成本大幅降低，生產效率獲得很大提高。負責三維CAD數學建模的工作由專業工程師來承擔，現場進行3D打印的操作人員分擔的工作所需的培訓量相對較少。全程由電腦程序操控，設計師的設計自由性大大提高，直接基于CAD設計等的施工建造誤差小、精度高，可大幅降低培訓成本，并且生產效率得到較大提高。

23D建筑打印技術原理

3D打印建筑設備主要由硬件設備和軟件系統構成，其組成如圖3所示。3D打印建筑設備的硬件部分，由打印頭、導軌、打印臂、打印材料儲存裝置、打印材料動力運輸裝置、打印材料輸運管路以及控制裝置組成。3D打印建筑設備的硬件部分，則必須使用切片軟件、上位機控制軟件和主控板固件三類軟件來操作3D打印機。3D打印的步驟大致如下:1)用CAD軟件來創建三維CAD模型。將設計思想轉化為計算機屏幕上的圖形和模型數據，創建的三維CAD模型用stl三角網格格式存儲起來;2)切片軟件將三維CAD模型切片分層，從stl導出G代碼。G代碼指示打印頭加熱部分移動到指定位置去噴涂半流質的打印材料;3)3D打印操作。只有經歷了前兩個步驟后，打印機才能夠真正地執行打印任務。

3水運工程建設應用

3D打印技術的設想水運工程包括碼頭工程、防波堤工程、護岸工程、航道工程等，其中大部分的施工建設本質上都是“增材制造”的過程。水運工程通常在海上或河流中施工，受風浪、潮流、洪水的影響，施工條件相對惡劣;其建筑物及構筑物的服役環境通常非常復雜;工程投資大、建設周期長。為了實現水運工程的高效快速建設，提出3D打印技術應用在水運工程建設中的設想，并進行相應的探究和分析。3．13D打印技術在混凝土工程中的應用。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打印技術進行施工，可以取消模板工程，并可以較好的彌補現場澆筑和預制裝配混凝土和混凝土施工工藝的不足。水運工程建設大量涉及到混凝土和鋼筋混凝土工程施工，一般分為現場澆筑和預制裝配兩大工藝。現場澆筑的混凝土和鋼筋混凝土的優點在于結構整體性好，抗震、防滲性能強，而缺點是施工難度大、工期較長，模板及支架材料消耗多、現場運輸量大、勞動強度高。其中，模板工程中模板質量的優劣，將直接影響混凝土的質量，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打印機直接澆筑成型技術，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成本［3］，用機械施工代替人工，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構被廣泛采用，構件的預制采用現代化技術和設備，實行成批、連續生產，因此成本低、質量高，給設計和施工帶來極大方便。3D打印技術在其中有很大的利用空間，許多預制構件都能夠由3D打印建造的方式在工廠車間生產，也可以在現場進行打印生產。目前，已有以3D打印技術建造裝配式建筑的工程實例。3D打印的對象雖然是樓房，但建筑工程施工的原理總體上是相通的，能夠為3D打印技術應用于水運工程建設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目中，在裝配式建筑中采用了3D打印技術，建造了一幢二層樓房，采用了裝配方式進行了一框架結構搭建。樓房體量不算大，建筑高度9m、建筑面積1154m2，由255塊預制梁、預制柱、疊合板等預制構件裝配而成，預制率高達80%以上。3．23D打印用于建造新型防波堤結構。由于港口及其海岸防護技術要求的提高，在工程實際中對防波堤的要求也越來越高。為了能夠減少波浪反射和結構受力，并且降低實際工程造價，近年來各國競相研究各種新型的防波堤結構。為了滿足港口及近海工程不斷向深水以及惡劣環境延伸，適應工程建設的需要，研究穩定性好、利用新材料、經濟且易施工、環保的新型防波堤結構是一個重要的任務。近年來提出的新型防波堤型式多種多樣，如臺階型開孔墻防波堤、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。相較于傳統的直立式、斜坡式防波堤型式，新型防波堤的結構復雜多樣，對于開孔位置、弧度等參數有較高的精度要求，將會給施工帶來很大的困難，提高造價成本。而3D打印不受傳統設計建造技術的限制，幾乎任何復雜結構的三維物品都能設計并打印實現，且實現成本要比傳統技術低得多，耗費時間短得多，施工建造容易得多。利用3D打印技術進行新型防波堤的建造，將三維實體防波堤結構通過數字化轉變為二維平面加工序列，能夠大幅度降低防波堤施工工藝的復雜程度，這是傳統施工遠不能與之抗衡的。對于船閘工程輸水廊道等部分也可以利用3D打印技術打印出復雜內流道、內部鏤空等結構。3．33D打印可以克服惡劣的施工環境。水運工程在海上或河流中施工，施工時需要的船機設備較多，尤其是在海上施工時，由于風浪潮流的影響，施工條件艱苦，影響因素復雜，漲落潮和洪枯水的季節性和時間性極強，施工非常困難。3D打印可以適應惡劣環境，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境下進行施工建造。在水運工程建設中應用3D打印技術將能夠降低工程的施工難度;施工時間較少制約于自然條件的限制，進而能夠縮短工期，降低造價成本;能夠大幅減少現場參與施工的人員，提升施工作業的安全性，尤其是對于極端環境下的水運工程施工意義非凡。

4結語

3D打印建筑技術是一種數字化、機械化、自動化和智能化的技術，是一種正在發展且具有巨大潛力的新技術，為水運工程的快速建設提供了新的思路。不過，目前距離3D打印技術實現應用仍存在許多方面問題有待深入研究。1)打印設備方面，目前使用的3D建筑打印機種類很少，設備制作整體技術上還比較粗糙，無論是精度還是運行速度以及效率都不高，專業的3D建筑打印機設備這一空白亟需填補;2)設計方面，目前建模軟件很大一部分是在3D打印領域內通用的軟件，專業應用在3D打印施工建造的3D建模軟件數量太少，還需要進行深入研究并發掘其功能;3)3D打印建筑的打印材料和傳統建筑相比，品種數量還不多，還有待于繼續發展;在發展使用普通混凝土進行打印建筑方面也還在探索當中;在使用一些新的混凝土材料及使用方法的應用研究程度還不夠;4)要實現3D打印，形成適應新技術的一套嚴格的建設標準和體系，還有大量工作要完成，包括修改和制定從規劃、設計到施工、監理的一系列標準和考核體系，以保證水運工程建設的安全和質量。

參考文獻:

［1］歐陽飛，曹周紅，胡峰軍，等．3D打印在水運工程中的應用展望及面臨問題［J］．水利科技與經濟，2015(9):105-107．

［2］崔萬瑞，李愈馨，李福坤，等．3D打印機體系結構研究［J］．計算機光盤軟件與應用，2014(16):127-128．

［3］楊建江，陳響．3D打印建筑技術及應用趨勢［J］．施工技術，2015，44(10):84-88．

作者:齊可仁 單位:交通運輸部水運科學研究院