3D打印建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

張永虹 王新元＊ 戴耀文 王新珂

（1 北京美斯頓科技開發(fā)有限公司，北京 100020；2 北京文和人居建設(shè)科技有限公司，北京 100000）

0 前言

3D建筑打印技術(shù)是近年來新興的以輪廓工藝為基礎(chǔ)的建筑構(gòu)筑技術(shù)，相較于傳統(tǒng)建筑施工方式，具有環(huán)保、節(jié)能、高效、低成本、施工安全等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展前景[1-6]。與傳統(tǒng)施工方式不同，建筑3D打印實(shí)施過程是通過打印控制系統(tǒng)，按照一定設(shè)計(jì)路徑將油墨材料噴出，以此成型構(gòu)筑建筑的主體結(jié)構(gòu)[7-12]。本文結(jié)合實(shí)體工程案例，介紹基于3D打印的墻體結(jié)構(gòu)方案及技術(shù)處理措施，其具有打印基礎(chǔ)穩(wěn)固性高、與墻體結(jié)合性好的優(yōu)勢(shì)。

1 工程概況

本工程位于北京市昌平區(qū)馬池口鎮(zhèn)，為單層3D打印建筑，名為“毛氈房小屋”。建筑面積24.8m2，建筑高度3m，屋頂采用輕鋼結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)圈梁采用現(xiàn)澆混凝土，墻體及基礎(chǔ)均采用現(xiàn)場(chǎng)打印且一體成型方式。

本工程在對(duì)原始地面硬化處理后進(jìn)行，建筑設(shè)計(jì)使用年限為5年，打印墻體的厚度基于現(xiàn)有混凝土墻參數(shù)及打印噴頭的尺寸綜合考慮確定，打印基礎(chǔ)及圈梁由計(jì)算確定。

2 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)方案包括打印基礎(chǔ)、現(xiàn)澆圈梁、打印墻體和門窗過梁及房頂設(shè)計(jì)方案，除圈梁及房頂外，其余全部采用3D打印技術(shù)方式完成。本工程提出一種基礎(chǔ)、圈梁及墻體的連接施工方式。

2.1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

整個(gè)打印基礎(chǔ)寬度為800mm，打印形狀為“凹”字樣式，打印機(jī)采用70mm打印噴頭，由里向外連續(xù)打印12圈完成。打印基礎(chǔ)的高度為局部200mm，兩邊側(cè)140mm寬度處高度為300mm。見圖1～圖3。

圖2 基礎(chǔ)整體剖面圖Fig.2 Overall profile of foundation

圖3 基礎(chǔ)1-1剖面Fig.3 Foundation 1-1 section

2.2 圈梁設(shè)計(jì)

圈梁采用現(xiàn)澆混凝土方式完成，打印基礎(chǔ)上設(shè)置400mm×510mm整體吊裝圈梁，兩部分之間采用3D打印部分的凹槽連接，同時(shí)采用表面鑿毛法使其形成更緊密的連接。而后空隙部分采用填充細(xì)石混凝土，加強(qiáng)了兩部分的連接。設(shè)置圈梁的目的在于防止地基的不均勻沉降或較大振動(dòng)荷載等對(duì)房屋的不利影響，以增強(qiáng)房屋的整體剛度及墻體的穩(wěn)定性?？紤]到后期吊裝和移動(dòng)情況，此圈梁內(nèi)預(yù)埋四根φ100mm×6mm鋼套管，平均分布。見圖4。

圖4 圈梁平面圖Fig.4 Circle beam plan

2.3 墻體及門窗設(shè)計(jì)

圈梁上打印墻體的部分采用同樣方式完成兩部分的結(jié)合。打印過程中在墻體高度為573mm、861mm、1347mm、1833mm和2463mm處分別水平布設(shè)橫向鋼筋，整個(gè)墻體打印中只需局部添加水平的橫向鋼筋，規(guī)格為Φ12mm。鋼筋添加位置在門窗附近，防止后期結(jié)構(gòu)受力造成裂縫。門窗采用臨時(shí)模板，完成后用15mm厚砂漿覆面。墻體鋪設(shè)Φ12mm橫向鋼筋，門、窗邊鋪設(shè)Φ6mm豎向鋼筋，用15mm厚的砂漿涂抹，加強(qiáng)墻體和門窗的一體性。見圖5、圖6。

圖5 打印墻體外立面Fig.5 The facade of the printing wall

圖6 門窗邊構(gòu)造詳圖Fig.6 The detail construction of windows and doors

2.4 房頂設(shè)計(jì)

墻體打印完成后，將15mm厚的水泥砂漿涂覆于墻體的最頂層橫向鋼筋上，涂覆時(shí)添加預(yù)埋件；房頂采用鋼結(jié)構(gòu)形式，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)強(qiáng)，如圖7所示，中心為直徑1000mm玻璃，外側(cè)共劃分為12份單體區(qū)域，單體弧長(zhǎng)為1628mm，相鄰區(qū)域夾角為30°，圓弧通過焊接形成臺(tái)式結(jié)構(gòu)，高1507mm，通過膨脹螺栓與墻體連接。

圖7 房頂平面及尺寸圖Fig.7 The roof plane and dimension

3 施工階段方案

3.1 施工總流程

在3D打印建筑過程中，建筑設(shè)計(jì)的同時(shí)進(jìn)行預(yù)準(zhǔn)備階段，包括材料、設(shè)備進(jìn)場(chǎng)就位、地面硬化等，墻體打印過程包括程序路徑設(shè)計(jì)、墻體打印、洞口預(yù)留、預(yù)留預(yù)埋件等，后期包括墻體的養(yǎng)護(hù)等。具體流程如下：施工準(zhǔn)備→水、電、道路布設(shè)→材料進(jìn)場(chǎng)、場(chǎng)地平整→地面硬化→建筑物放線、定位→打印設(shè)備就位→機(jī)械臂定位→打印程序編制→基礎(chǔ)鋼筋、模板、混凝土→墻體打印、鋼筋預(yù)埋、門窗洞口預(yù)留→過梁模板安裝→打印過梁上部墻體→埋設(shè)預(yù)埋件→墻體養(yǎng)護(hù)→屋頂安裝→裝飾、機(jī)電安裝。

3.2 打印工序

打印前需對(duì)基體進(jìn)行找平處理，基體表面高差≤±10mm，確保打印厚度滿足設(shè)計(jì)要求。打印過程中隨時(shí)觀察打印出料端的儲(chǔ)料量、打印材料的質(zhì)量、打印速度及打印成型的質(zhì)量情況。打印時(shí)，每打印完一層進(jìn)行構(gòu)件寬度和打印層厚度的檢測(cè)，驗(yàn)證實(shí)際打印的寬度、厚度與設(shè)定值之間的誤差，當(dāng)誤差大于5mm時(shí)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際打印檢測(cè)，打印氣溫在10～20°C時(shí)，每天打印的層數(shù)約20層，每層厚度控制在20mm。

3.3 總施工過程的注意要點(diǎn)

1）打印材料屬于速凝材料，打印層次明顯，層次間承載力較低，打印時(shí)同一豎向位置上下打印時(shí)間不宜超過材料的初凝時(shí)間，不得超過終凝時(shí)間，同一水平位置相鄰橫向打印時(shí)間不得超過材料的初凝時(shí)間。

2）對(duì)打印時(shí)需要配置鋼筋處，需要提前加工制作鋼筋，非整根鋼筋搭接時(shí)需要滿足搭接要求，不得后置鋼筋。

3）打印材料砂和尾礦的選用需滿足規(guī)范對(duì)級(jí)配、顆粒強(qiáng)度及含泥量的要求。

4）墻體打印完成后7天方可施工屋面及相應(yīng)的屋面支持構(gòu)件。

5）建筑物和機(jī)械臂定位、放線準(zhǔn)確，在編制打印程序時(shí)，需觀測(cè)是否存在影響打印的障礙物、打印完成的墻體與打印設(shè)備是否相互影響。

6）建筑物預(yù)留吊裝孔的位置和孔徑需滿足吊裝要求，孔徑易于吊裝和操作、利于運(yùn)輸。

7）打印過程中隨時(shí)觀察、檢測(cè)拌合物的流動(dòng)度，確保打印流暢，出料均勻不流淌，不易堵管。

8）打印過程中隨時(shí)觀察、檢測(cè)打印完成產(chǎn)品的位置、高程、垂直度、截面尺寸、平整度、觀感質(zhì)量，及時(shí)處理問題。

4 結(jié)語

采用本文的打印方法打印的墻體既可保證建筑墻體的承重與圍護(hù)的合一性，又可保證打印墻體的節(jié)能、美觀等。

建筑行業(yè)采用3D打印技術(shù)構(gòu)建工業(yè)用房或民用住宅，不僅智能、環(huán)保、安全、快捷，且成本低廉，可實(shí)現(xiàn)就地取材，具有廣闊發(fā)展前景。隨著人類居住文化的改變及環(huán)保理念的提升，3D打印建筑形式會(huì)成為未來發(fā)展的一種趨勢(shì)。