大型原位3D打印建筑設(shè)備的設(shè)計應(yīng)用

陳歡歡，潘 寵

(中建二局洛陽機(jī)械有限公司，河南 洛陽 471000）

3D 打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用計算機(jī)自動控制技術(shù)，通過逐層打印的方式將打印材料構(gòu)造成物體的新技術(shù)，建筑3D 打印技術(shù)是將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于混凝土施工的技術(shù)，具有數(shù)字化、智能化、機(jī)械自動化等特點，與傳統(tǒng)建筑業(yè)相比，建筑3D 打印技術(shù)采用工業(yè)化的生產(chǎn)方式，減少了勞動力的投入，提高了效率，縮短了生產(chǎn)建設(shè)周期，并且能夠有效解決建筑傳統(tǒng)施工中存在的手工作業(yè)多、模板用量大、復(fù)雜造型難以實現(xiàn)等問題。

近年來，在國家相關(guān)政策的支持下，國內(nèi)建筑3D 打印技術(shù)快速發(fā)展，并開始追趕歐美國家，但由于缺乏大型3D 打印施工設(shè)備，所以大部分還僅限于實驗室研究，或在工廠內(nèi)打印一些小的景觀及建筑構(gòu)件，大型建筑主要通過預(yù)先打印小的混凝土構(gòu)件，然后在現(xiàn)場裝配的方式進(jìn)行建造，這種情況一定程度上限制了建筑3D 打印技術(shù)的推廣應(yīng)用。

本文詳述一種大型原位3D 打印建筑設(shè)備，對設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成、設(shè)計要點及安裝調(diào)試精度進(jìn)行闡述，通過實際打印效果表明，該設(shè)備運行穩(wěn)定，打印效率、精度高，可以滿足大型原位3D打印工程施工的各項要求。

1 結(jié)構(gòu)組成

圖1 是該大型原位3D 打印建筑設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡圖，該設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由設(shè)備框架、垂直升降架、抱箍、打印系統(tǒng)及各運動部件的驅(qū)動裝置等組成，其中垂直升降架分為升降架A 和升降架B，打印系統(tǒng)由打印橫梁和打印頭組成。

圖1 大型原位3D打印建筑設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖

該設(shè)備的系統(tǒng)原理是，打印橫梁沿著垂直升降架平面水平移動（X向），打印頭沿著移動橫梁水平移動（Y向），垂直升降架通過抱箍的驅(qū)動作用沿框架立柱做上下移動（Z向，升降架A 和B 同步進(jìn)行升降），3 個方向的精確位移從而實現(xiàn)3D 打印。該設(shè)備采用模塊化設(shè)計，具有安裝方便、運行精度高、運行穩(wěn)定等特點，而且可根據(jù)建筑物的尺寸對設(shè)備架體進(jìn)行擴(kuò)展，滿足了大型化施工的要求。

2 設(shè)計研究

2.1 設(shè)備框架

如圖2 所示，設(shè)備框架主要由6 根垂直立柱組成，立柱底部固定在地面上，頂部用連接橫撐和縱撐連接成為一個穩(wěn)固的整體，立柱和支撐之間、立柱和地面之間均通過螺栓進(jìn)行連接。在每根立柱上都設(shè)置有一個帶有獨立驅(qū)動裝置的抱箍，抱箍可沿著立柱垂直升降，作為提升點實現(xiàn)垂直升降架的整體升降。圖中2 個垂直升降架一共有6 個提升點，因為立柱是剛性的，所以在提升過程中，必須保證6 點同步提升，而且6 個提升點的運行軌跡必須平行，相對位置必須穩(wěn)定在合理的范圍內(nèi)，否則將導(dǎo)致升降架在垂直方向運行時出現(xiàn)卡頓甚至無法完成升降，這就對單根立柱的直線度及6 根立柱的平行度提出了很高的要求，根據(jù)工程實踐，12m 高的立柱的垂直度允許偏差應(yīng)控制在3mm 以內(nèi)。立柱的底部與基礎(chǔ)連接應(yīng)采用螺栓連接的方式（圖3），安裝設(shè)備時可通過調(diào)整螺母對立柱的垂直度進(jìn)行調(diào)整。

圖2 設(shè)備框架結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 設(shè)備框架基礎(chǔ)連接結(jié)構(gòu)簡圖

設(shè)備框架不僅是整個設(shè)備穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)，垂直升降架上下運行的導(dǎo)柱，而且是安全施工的保證。在打印過程中，在房屋邊緣或拐角處，由于慣性的存在，打印橫梁或打印頭速度的明顯變化會對設(shè)備框架造成很大的沖擊，因此，設(shè)備整體穩(wěn)定性對設(shè)備的安全運行至關(guān)重要，本設(shè)備在設(shè)計研發(fā)階段，采用了有限元分析的方式對各種工況下設(shè)備的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

工程實踐證明，這種標(biāo)準(zhǔn)的框架結(jié)構(gòu)可方便根據(jù)建筑物的尺寸進(jìn)行架體擴(kuò)展，當(dāng)建筑物的尺寸增加時，可通過增加立柱數(shù)量，增大打印范圍，滿足大型化施工的要求。

2.2 抱 箍

每根立柱上的抱箍是一個提升點，是升降架的支撐點，在打印過程中，打印橫梁的水平?jīng)_擊載荷也將通過抱箍傳遞到設(shè)備框架。抱箍的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 抱箍結(jié)構(gòu)簡圖

抱箍的內(nèi)支撐滾輪應(yīng)設(shè)置在立柱的4 個方向，并設(shè)計為剛性輪，輪子是可橫向調(diào)節(jié)的，以便在安裝時，保證抱箍順暢運動的前提下，把輪子和立柱之間的間隙調(diào)節(jié)到最小，以便整個升降架垂直運動軌跡的直線度達(dá)到最優(yōu)，最大程度保證打印出墻體的垂直度，提升打印的整體質(zhì)量。

為了保證升降架在安裝后不傾斜，抱箍的支座布置方向應(yīng)如圖5 所示的方向，即端部2 個抱箍的支座方向應(yīng)布置為相對向的位置，而不能把所有抱箍的支座都布置在垂直升降架的側(cè)面（見中部抱箍）。一般來說，對大型原位3D 打印建筑設(shè)備抱箍的高度不能低于1m。

圖5 抱箍支座方向布置示意圖

2.3 分布式垂直升降架

垂直升降架是設(shè)備Z向打印的運動本體單元，也是設(shè)備X向和Y向打印的承載單元，垂直升降架應(yīng)為分布式設(shè)計，分為升降架A 和升降架B，單個升降架與設(shè)備框架立柱通過3 個抱箍連接。

與整體升降架結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)把升降架一分為二，在安裝調(diào)試時，先調(diào)節(jié)升降架A 的3個抱箍同步提升，再調(diào)節(jié)升降架B 的2 個抱箍同步提升，然后再調(diào)節(jié)升降架A 和升降架B 同步提升，這種方式減少了同時調(diào)試的提升點數(shù)量，可有效降低安裝調(diào)試難度。

為了降低提升重量，減小打印過程中的水平?jīng)_擊載荷，升降架應(yīng)設(shè)計為桁架結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì)，一般來說，9m 長的升降架桁架高度應(yīng)不小于800mm。由于大型鋁合金結(jié)構(gòu)件焊接變形控制難度高，所以升降架應(yīng)主要采用螺栓連接的方式，焊縫應(yīng)盡量對稱布置，盡量減少焊縫數(shù)量，增大焊縫的間距，如圖6 所示。

圖6 桁架式垂直升降架結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 打印橫梁及可升降式打印頭

大型原位3D 打印設(shè)備打印面積一般較大，打印橫梁跨度較大，為了增強(qiáng)梁的剛度，減輕重量，橫梁應(yīng)設(shè)計為高強(qiáng)度鋁合金桁架雙梁結(jié)構(gòu)，打印頭設(shè)置在雙梁之間，從而避免了打印頭懸于橫梁的側(cè)面從而產(chǎn)生歪斜，保證打印頭的垂直度。為了減少焊接變形，保證打印橫梁的直線度，設(shè)計中也應(yīng)優(yōu)先考慮螺栓連接，減少并合理布置焊縫。一般來說，15m 長的打印橫梁允許撓度為5mm，并應(yīng)設(shè)計為三段式結(jié)構(gòu)，可避免連接點在橫梁的中部位置，優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力。

大型原位3D 打印設(shè)備因為起升重量較大，為避免頻繁進(jìn)行提升，一般應(yīng)設(shè)計可升降式打印頭，每次整體提升一個樓層的高度，在此樓層高度內(nèi)依靠打印頭的升降完成打印，可升降打印頭的結(jié)構(gòu)如圖7。

圖7 可升降打印頭結(jié)構(gòu)簡圖

3 實踐應(yīng)用

本文講述的大型原位3D 打印建筑設(shè)備已在廣東省河源市成功打印一座二層辦公樓，辦公樓高度7.5m，長度16.7m，寬度7.5m，總建筑面積230m2，這是世界首例采用“輪廓工藝”的原位3D 打印雙層示范建筑，如圖8、圖9。整個打印過程凈用時不到60h，經(jīng)檢測，打印的墻體整體直線度和垂直度均控制在3mm 以內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期要求。通過本次打印，探索了包括工藝、材料、設(shè)備、建筑設(shè)計等在內(nèi)的原位建筑3D 打印技術(shù)，驗證了本文所述設(shè)備的穩(wěn)定性。

圖8 原位3D打印建筑設(shè)備實物圖

9 原位3D打印建筑實景圖

4 結(jié)語

建筑3D 打印技術(shù)與傳統(tǒng)施工技術(shù)相比，具有綠色環(huán)保、免模板、智能化程度高、節(jié)省人工、縮短施工周期等顯著優(yōu)點，在我國老齡化問題日益嚴(yán)重，勞動力短缺以及大力推動綠色發(fā)展的背景下，建筑3D 打印技術(shù)擁有廣闊的應(yīng)用前景，將會有力推動制造業(yè)的數(shù)字化發(fā)展，促進(jìn)建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。