伝統を覆し、未来を創造する: CCCC 第一工学研究所の 3D 印刷技術は、エンジニアリング建設を「インテリジェント製造」の新時代へと導きます。

南極熊紹介：コンクリート工事構造物は、従来の型枠現場打ち工法では、人件費や型枠費が高く、工期が長く、品質管理が難しく、安全リスクが高く、環境への影響が大きく、複雑な構造を実現するのが難しいなど、業界共通の問題に直面していますが、交通建設業界の大手企業である中国交通第一道路測量設計研究所株式会社（以下、中国交通第一道路研究所）は、コンクリート3Dプリント技術を交通インフラ分野に初めて応用し、景観、橋梁、市政などの分野で応用に成功し、業界をリードしています。

印刷材料の性能が印刷の実現可能性、構造機械特性、最終製品の品質に決定的な影響を与えることを踏まえ、コンクリート3D印刷技術の応用における主導的地位をしっかりと把握し、その発展ペースが材料によって制約されることを回避し、エンジニアリング分野での広範な応用を実現する機会をつかむために、中国交通建設第一高速道路エンジニアリンググループ株式会社は、さまざまな実際の応用シナリオのニーズに柔軟に適応できるように、さまざまなタイプの3D印刷セメントベース材料システムの研究開発を主導しました。

1. 多成分グリーン低炭素セメント材料<br /> 高用量の鉱物混和剤を使用すると、セメントベースの材料を 3D 印刷する際の、セメント含有量が多い、エネルギー消費量が多い、材料コストが高いという問題を解決できます。産業廃棄物の最大 50% を「吸収」できるため、経済効率と環境への配慮に優れています。景観装飾、小・中スパンのアーチ橋、建築スケッチなどに適しています。

△ マルチ複合グリーン低炭素セメント材料の応用の模式図。主な応用プロジェクトには、耀柏セメントグループなどの3Dプリントハードランドスケーププロジェクトや、西安長寧新区考古学公園のコンクリート3Dプリントランドスケープアーチ橋プロジェクトなどがあります。

2. 一般的なポルトランドセメントベースの3Dプリント材料
コンクリートの急速な「立ち上がり」が実現し、3D プリントされたセメント系材料の容易な流れと外観の維持という難しい問題が解決されました。さまざまな強度レベル (C30-C50) の要件を満たすコンポーネントを印刷でき、作業時間の範囲が広くなります。一定の強度が求められる中小規模の特殊形状の景観部材や大規模構造物に適しています。

△普通ポルトランドセメントをベースとした3Dプリント材料の応用の概略図。主な応用プロジェクトには、特殊な形状の庭園景観プール、北京-チベット高速道路の特徴的な建設-G6高速道路の楊八井トンネルグループ、世界最長の屋根上トンネル、および完全にプレハブ組み立てられた箱型固形廃棄物ベースの3Dプリント歩行者景観橋が含まれます。

3. 通常のケイ酸塩-硫酸アルミネートセメント複合3Dプリント材料
3Dプリントセメント系材料のポンピング性とスタッキング性の矛盾を解決し、超高精度の特殊形状部品の高速プリントを可能にします。印刷時間は制御可能（20分〜60分）で、低温および室温（5〜20℃）に適しています。強度発現が速く（圧縮強度は 6 時間後に 20MPa 以上に達する）、初期強度が高く、硬化時間が短いため、建築 3D プリントの押し出し、施工性、連続性の要件を満たすことができます。大きな曲率のねじれカンチレバー部品の印刷に大きな利点があり、特殊形状の構造、機能的な装飾、風景スケッチなどに適しています。

△ 一般的なケイ酸塩-硫酸アルミネートセメント複合3Dプリント材料の応用の概略図。主な応用プロジェクトには、CCCC科学技術都市などの3Dプリントハードランドスケーププロジェクト、CCCC第一公立病院の3Dプリントグループ壁と門市景観プロジェクト、CCCC科学技術都市の空間双曲型鋼コンクリート複合構造の3Dプリント連続梁景観橋などがあります。

これらの材料を使用した 3D プリントはどのように実現されるのでしょうか?
代表プロジェクトの謎を解き明かそう

1. 文化と景観の小規模工学アプリケーション
ハードな造園プロジェクト。風景花壇、風景シート、風景スケッチなどが含まれます。形は様々で、美しい流線型の外観とねじれなどのデザイン技法により、非常に興味深くリズミカルな形になっています。

△各種ハードランドスケープエンジニアリングプロジェクトのハイライトは、国内初の先進的な回転式ツールエンドと長方形のプリントヘッドに基づいて、プリセット形状の高精度成形を実現することです。

△長方形のプリントヘッドが回転し、高精度で特殊な形状の庭園景観プールを印刷します。主に中央のトランペット型の中空の柱と、その周囲の3つの花びら型の構造物で構成されており、水中の魚や小さな亀の休息場所となっています。
△特殊形状の庭園景観プールこのソリューションは、独自に開発した空間パスアルゴリズムを採用し、複雑なオープン薄壁の特殊形状コンポーネントの自由な構築を実現します。

△空間連続経路図京蔵高速道路の特徴的な構造 - 世界最長の屋根上トンネル、G6高速道路の楊八井トンネル群の坑口装飾。楊八井トンネルと当雄トンネルは、それぞれ白いハダとカラフルなハダを基調としており、2つの表面テクスチャの融合は、文化と民族の多様性を象徴しています。自然に伸びた曲線は、チベットを訪れる人々に神聖で心地よい感覚を与えます。

△京蔵高速道路の特徴的な建設 - 世界最長の屋根上トンネルであるG6高速道路の楊八井トンネルグループプロジェクトのハイライトは、デジタルおよびパラメトリックモデリング手法の使用であり、傘の描画曲線のプロトタイプを境界として使用し、アルゴリズムを通じてしわのあるテクスチャを生成し、3Dプリント建設により多くの可能性を提供します。これは現在、世界で唯一の極限環境付加製造コンクリートプロジェクトです。

2. 国内のコンクリート橋梁プロジェクトのほぼ半分は積層造形で作られている
完全にプレハブ化された箱型固形廃棄物ベースの 3D プリント歩行者用景観橋。中国初の非鉄筋コンクリート 3D プリントアーチ橋です。この橋は53個のアーチリング部品と44個のガードレールで構成され、ソリッドウェブ2脚アーチとして設計されています。橋の全長は9.5m、正味幅は2mです。

△完全にプレハブ化された箱型固形廃棄物ベースの3Dプリント歩行者景観橋プロジェクトは、伝統的な橋の建設方法を打ち破り、メインアーチリング、アーチ後側壁、プラットフォーム後側壁、歩道スラブ、ガードレールはすべて3Dプリントコンクリート部品で作られています。施工プロセスでは、材料、設備、環境などの要素を総合的に考慮し、仮想施工と印刷テストを組み合わせて印刷パラメータの共同最適化設計を実現し、印刷品質を大幅に向上させます。

△コンクリート3Dプリント構造の品質管理要因△印刷パラメータの協調最適化設計西安長寧新区考古学公園のコンクリート3Dプリント景観アーチ橋プロジェクト - 西北地域で最初の3Dプリント都市景観アーチ橋「長寧印」は、陝西省西安市考古学博物館の南西にある公園内にあります。アーチ橋の長さは19.89メートル、スパン・ライズ比は1/4.84です。上部構造には7つのメインアーチリング、4つの側壁、22のガードレール、152の舗装が含まれており、すべてコンクリート3Dプリント技術を使用して構築されています。

△中国西北初の3Dプリント都市景観アーチ橋「長寧プリント」
このプロジェクトでは、パラメトリックモデリング技術を使用して、モデルの迅速かつ自由な調整を実現し、シンプルかつ高速化を実現しています。

△パラメトリックモデリング技術は、斜面スライス法に基づいており、平面と空間のパスフィッティング技術を柔軟に使用し、インテリジェントな速度変更技術と連携して非均一なレイヤリングを実現し、印刷品質を最適化します。

△ アーチリングプレファブリケーション部品の斜面切断とパス設計 △ 3Dプリントプレファブリケーション部品
3. 自治体や建設プロジェクトへの応用
中国通信第一公共工学研究所の3Dプリントグループ壁と門市景観プロジェクトは、陝西省西安にあります。青海チベット高原の山々からインスピレーションを得て、「二つの道」の精神に敬意を表しており、主に壁プロジェクトと門番ハウスプロジェクトの2つの部分で構成されています。プロジェクトの総印刷量は約400トン、総印刷時間は約625時間です。

△CCCC第一公共研究所の3Dプリント群柵門市街地景観プロジェクトは、769本の全く異なる特殊形状の柱で構成され、長さは304メートルで、世界最大のカスタマイズされた配列景観フェンスです。柱1本の高さは2.2m、ベースサイズは350×240mmで、パラメトリック設計法を採用し、構造の重心に沿って台形断面をねじって形成されています。部分的に片持ちになっており、高さと細さの比率は1:10です。パス設計の難しさは、アスペクト比の大きい薄肉部品の片持ち形状の存在により、プリントプロセス中に構造の重心が移動し、崩壊や転倒につながることです。さらに、従来のプロセスのスライスプロセスで発生する可能性のあるエラーやミスにより、パス障害の可能性が高まります。

△フェンス柱の印刷工程

そこで、チームは統合モデルパスを備えたパラメトリックモデリング方法を提案しました。重心同軸最適化技術により、パーソナライズされたカンチレバーねじり部品の印刷成功率が大幅に向上し、2.2mの特殊形状の柱を一度に成形できるようになりました。印刷精度を向上させると同時に、カンチレバーによる重心のオフセットによって簡単に倒れる問題を解決しました。1本の柱の平均印刷時間は25分〜30分です。

△モデルパス統合パラメトリックモデリング△壁の建設効果ゲートハウスプロジェクトには、さまざまな複雑なプレハブコンポーネントとドアプレート石を含む4つのゲートハウス建設プロジェクトが含まれています。門楼の最大高さは4.7m、最大面積は18㎡で、下部の成形壁と上部の特殊形状の双曲面屋根は402個のプレハブプリント部品に分かれています。戸石は長さ7メートル、幅1.6メートル、高さ2メートルです。

△ 表札石の施工効果 △ 門番所の施工効果このような複雑な形状の「大物」を前に、3Dプリント技術では高品質な一回成形を実現することが難しく、ブロック印刷と現場での組み立てという方法しか採用できません。印刷の実現可能性と構築の利便性を考慮して、「モデル適応型ブロック分割アルゴリズム」が開発されました。制限パラメータを入力するだけで、モデルは3Dプリント可能なブロックに自動的に分割されます。

△モデル適応ブロック技術 △ゲートハウス設置従来の型枠現場打ち工法と比較して、コンクリート3Dプリント技術の利点は何ですか？

（１）施工効率の向上：特殊形状のコンクリート部材を大量に施工する場合、従来の現場打ち工法に比べて施工効率が７０％以上向上します。

（２）実現可能性の大幅な向上：プロジェクトのほとんどの構成要素は芸術的な建設要件を満たしており、従来の技術では実現が困難である。 3Dプリントインテリジェント建築技術は、パーソナライゼーションとカスタマイズの特徴を備えており、実現度を50％以上高めることができます。

（３）コスト最適化：建設プロセスは型を必要とせず、必要な人員も少なくなるため、型枠コストを100％節約できます。従来の建築材料の製造方法とは異なり、積層造形プロセスでは材料の使用を正確に制御し、材料の無駄を削減できます。

（4）省エネと排出削減：3Dプリント材料はリサイクル材料や固形廃棄物を使用でき、材料利用率が高く、3Dプリントの構築プロセスは粉塵、騒音、汚染が少なく、環境への影響がほとんどありません。

今後、第一公共交通研究所は「大交通、大都市、大生態」に重点を置き、3Dプリントのインテリジェント製造と工学構造物の建設の応用シナリオを継続的に模索し、技術革新を通じて世界の総合的な交通と都市インフラの構築と運営に継続的に貢献していきます。

伝統を覆し、未来を創造する: CCCC 第一工学研究所の 3D 印刷技術は、エンジニアリング建設を「インテリジェント製造」の新時代へと導きます。

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