广州市自来水公司 广东广州 510160
摘要：在大型沉管施工过程中，针对其工期紧、测量要求高等特点，采用三维打印技术，并深入应用于工程建设的各个环节，为同类工程应用三维打印技术，进一步提升建设水平提供了技术和经验。
关键词：三维打印技术；沉管；施工
Research and Practice on 3D Printing Technology for Large Sunken Tube Construction
LI Qiu
（Guangzhou Water Supply Company，Guangzhou 510600，China）
Abstract：During the process of large sunken tube construction，the schedule is tight，and the measurement requirement is high.With the in-depth application of using 3D printing technology in all aspects of engineering construction，it can provide technology and experience to enhance the level of similar engineering construction.
Key words：3D Printing Technology；Sunken Tube；Construction
引言
三维打印技术源于发明家Chuck Hull提出的“实像”概念，它以三维打印软件或者CAD绘图软件，创建数字化模型，运用粉末状金属或非金属材料，通过连续物理层叠加的方式来构造物件。随着越来越多三维打印技术在航天和国防、医疗设备、教育业、制造业等行业成熟应用的实现，不难想象其将在施工领域也会掀起一场技术上的革新。本文正是研究三维打印技术在大型沉管施工的应用，解决大型沉管施工中存在的问题，提高参建单位管理水平，以及工程经济价值，为大型沉管施工技术发展指明一条出路。
图2 广州市西江引水工程北江段沉管
1.1大型沉管施工的难点
（1）沟槽与成型管道的三维空间要匹配：根据经验，质量安全隐患较为集中在沟槽与成型管道的三维空间不匹配，如果出现这种问题，那将对施工产生严重的影响，甚至可能出现返工的情况，这是参建单位极力避免发生的事情。大型沉管施工容易发生以下四种不匹配的情况：河床沟槽不平整导致管道中间拱起；堤围坡度与管道坡度不一致；堤顶和管道相对高差较大；成型管道长度与河床沟槽长度不对应。分别如图3至图6所示。
（2）施工上要求一次成功：成型管道施工过程需克服应力聚积对管身损害问题，为保证管道接口质量、水压和气压试验，成型管道应一次成型；此外，成型管道吊装难度较大，吊装过程中主要有拖管、横管和沉管三个工序，鉴于对工程费用、质量安全和通航影响，施工上要求一次沉放成功。
图6成型管道长度与河床沟槽长度不对应
1.2 大型沉管施工管理上的存在问题
随着大型沉管施工在国内外应用越来越广泛，参建单位积累了丰富的施工经验，但在管理上仍存在以下一些问题：
（1）不能直观反映出质量安全隐患：参建单位只能通过传统二维CAD图纸，很难有直观的空间概念，很难直观、主动、及时发现问题，存在较大的管理难度和质量安全风险。
（2）不利于建设单位全过程管理：一个建设项目往往由许多参建单位集成，如勘察设计、监理、施工、监测、检测单位和材料供应商，各参建单位工作性质、工作内容和利益不尽相同。由于建设单位是建设工程项目实施过程的总集成者，也是总组织者，对于一个建设项目而言，建设单位的管理往往是整个项目管理的核心。
在国家和建筑行业越来越提倡建设单位发挥全过程管理作用的形势下，由于大型沉管施工的专业性和隐蔽性，施工期间只能完全依赖施工单位现场指挥沉管的专业技术人员操作水平和个人经验，不能直观反映出施工问题和质量安全隐患，使得建设单位无法及时掌握信息，不利于全过程管理。
2 三维打印技术应用于大型沉管施工的研究
2.1 三维打印技术应用于大型沉管施工的可行性
（1）技术上：三维打印机打印精度，即模型在逐层堆叠时每层的厚度，民用领域已经达到±0.10mm；此外，三维打印专业公司如雨后春笋般成立起来，为三维打印技术推广奠定了良好基础。
（2）经济上：目前三维打印材料价格相对较高如ex200高精度半透明树脂，但也仅为14元/克，相对大型沉管施工的工程造价来说占比可忽略不计，但应用价值较大。
2.2 三维打印技术应用于大型沉管施工的关键点
（1）选择打印材料
通过调查，市场上一般采用的打印材料有以下五种：1）工程塑料；2）光敏树脂；3）金属；4）PLA；5）石蜡。其中光敏树脂在民用领域应用的较为广泛，各种材料的特性如表1所示：
表1 三维打印材料特性对比表
通过比选，FDM这种工艺干净，易于操作，不产生毒气和化学污染的危险，适合于产品设计的概念建模以及产品的形状及功能测试。
（3）建立三维数据模型
数字化的三维模型是三维打印的基础，有了三维数字模型，就可以根据模型和项目的要求制定具体的三维打印方案。具体可使用BIM（Building Information Modeling）技术生成沟槽和成型管道的三维模型，经过模型打印预处理，导出DWG或STL等文件格式的模型，提供给三维打印机进行打印实体模型。
（4）考虑现场气象和水文实际情况影响
大型沉管施工过程中不可避免的受到雨、雾、风力、风向、水位、潮汐等气象和水文实际情况影响，需要对沟槽开挖进行实时测量，发现回淤、基础处理（抛石）导致沟槽不平整时，要及时处理。避免三维打印模型与现场实际情况出现偏差，导致结果失真。
3 三维打印技术在大型沉管施工应用方向的探索
3.1 应用于设计交底和图纸会审
工程设计交底和图纸会审时，由于施工图是二维的，难免存在不同程度的沟通障碍。如果将三维打印技术应用于设计交底和图纸会审，按照一定比例打印出来的实体模型，在设计交底时就有一个视觉冲击力很强的直观认识，提高沟通效率，施工单位容易理解和接受设计单位的设计理念和意图；图纸会审也一样，施工单位在主观表达图纸问题时，对着三维打印模型就能直接阐明问题，设计单位也能马上理解施工单位所提出的问题，方便双方意见交流。这将大大压缩会议时间和提高设计交底、图纸会审的效率。
3.2 应用于施工组织设计与交底
施工单位编制施工组织设计，并由技术负责人与对施工班组进行技术方案交底，各方都会根据自己的专业技术水平和经验提出各种问题和看法。借助三维打印技术，技术负责人能将施工总体计划、工期、工序和相关要求直接传达到位，而班组也能直观了解施工的重点、关键节点和注意事项，有效提高施工管理水平，减少因沟通误会造成返工和误工的情况，提高经济效益。
3.3 应用于施工过程中的技术和施工问题解决
在施工过程中可能会遇到现场实际与施工图不符的情况，也会出现各种各样的技术和施工问题，往往需要组织各种方案论证。如果有了三维打印模型，将现场测量数据和设计数据建模后三维打印出来，一方面可以直观反映出现场实际和设计图纸的差异，另一方面也可以将局部需要研究的部门三维打印出来，技术人员可以直面问题和研究处理方案，有效发挥各方的专业技术知识和施工经验，解决现场存在的技术和施工问题。
3.4应用于质量和安全控制
从二维平面图，参建单位很难充分了解和掌握施工现场的实际情况和施工进度情况，如果引入三维打印技术，不仅可以在沉管前打印沟槽和成型管道的模型出来进行三维空间匹配，看是否存在问题，没有问题才开始正式沉放施工；还可以结合BIM技术，对沉放施工全过程进行实时监控，这些都将大大有利于对工程的质量和安全控制，避免出现责任事故。
4 结束语
本文将三维打印技术应用在大型沉管施工的可行性和应用进行了初步探讨，该成果将来可结合激光测量、云计算平台、三维图像处理技术、软件编程和BIM等技术，将大型沉管施工过程用三维模拟型号在手机客户端上实时输出，以便参建单位实时监控和处理问题，具有较强的研究价值，更重要的是，将为国内外大型沉管施工提供可复制、可推广的应用价值。
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论文作者:李秋
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年4期
论文发表时间:2019/6/14
标签：技术论文; 沟槽论文; 模型论文; 管道论文; 应用于论文; 单位论文; 图纸论文; 《建筑学研究前沿》2019年4期论文;