大懸挑結構底面3D打印外墻板安裝施工技術研究

【摘要】大懸挑結構底面3D打印外墻板的安裝施工技術的創(chuàng)新能夠提升建筑裝飾的精度與效率。當前傳統(tǒng)外墻裝飾施工存在成本高、精度難以控制等問題。為此，通過采用全域感知技術進行主結構三維掃描，結合工廠化加工與現(xiàn)場快速安裝技術，確保了施工精度與速度。主要措施包括三維掃描重建基層結構、模塊化單元劃分與轉運、現(xiàn)場安全施工等。研究結果表明，該技術的應用降低了施工成本，提高了裝飾效果，確保了施工安全，具有廣泛的應用前景和社會價值。

【關鍵詞】懸挑結構；3D打印板；再生材料；零廢料

【中圖分類號】TU741 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）11-0147-03

0 引言

隨著建筑科技發(fā)展，實現(xiàn)綠色建造與降低成本成為焦點。本文研究的大懸挑結構底面3D打印外墻板安裝施工技術，是此背景下的創(chuàng)新實踐。該技術結合3D打印與全域感知技術，實現(xiàn)了外墻裝飾板的工廠化精確加工與現(xiàn)場快速安裝，有效解決了傳統(tǒng)施工成本高、效率低、精度控制難等問題。此研究不僅豐富了懸挑結構外墻裝飾的施工技術，還為推動綠色建筑、智能制造在建筑行業(yè)的應用提供了重要參考，具有深遠意義和廣泛應用前景，為建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展開辟了新的路徑。

1 工程概況

雄安某項目1號地設計施工總承包四標段項目43號地塊工程，總建筑面積約9.2萬 m2，其中地上6.7萬 m2，地下2.5萬 m2。地上最高5層，高度為24 m，地下1層，帶人防。項目型鋼混凝土梁長15.3 m，其中懸挑部分長6.9 m，外立面裝飾為3D打印板，所采用的材料為MABS改性塑料。

2 工藝原理

首先，通過對原概念性設計方案進行細部研究、分析，確定了單元板塊尺寸及相鄰板塊間銜接做法。通過全域感知技術測量出板塊安裝橫向水平高度及單元板塊安裝方式，確定了懸挑曲面承重鋼結構桁架的構造。其次，通過原結構預埋金屬板的位置，確定了懸挑龍骨鋼結構的安裝位置。最后，通過使用研發(fā)的提升設備與主結構的連接裝置，方便、快捷地將雙曲面單元板塊與鋼結構桁架上的橫向次龍骨連接，保證雙曲面單元板塊施工的整體速度及精度[1]。

3 工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程為主結構三維掃描→三維建?！牧喜少彙S加工→地面組裝→吊籃等臨時設施→鋼支座安裝→下部安裝→后裝帶安裝→安裝誤差調(diào)整。

3.2 主結構三維掃描的操作要點

工程主結構三維掃描采用全域感知技術，其主要內(nèi)容和要求如下。

3.2.1 全域感知技術的服務內(nèi)容

①3D打印板材安裝前對基層結構的全局三維數(shù)字模型重建，重建精度在10 mm以內(nèi)；②3D打印板安裝過程中輔助板材空間三維定位，測量精度要求在5 mm以內(nèi)；③3D打印板安裝過程中每周進行一次全局三維數(shù)字模型重建，重建點距密度30 mm，并與設計模型進行比對，記錄安裝進度，反饋誤差數(shù)據(jù)；④3D打印板安裝完成后全局三維數(shù)字模型重建，重建精度10 mm以內(nèi)，并與設計模型進行比對，反饋誤差數(shù)據(jù)[2]。

3.2.2 全域感知策略

項目中利用高精度測量機器人（精度達到0.5 s，0.6+1 ppm）進行角度和距離的測量工作。同時，采用高精度三維掃描儀（精度達到1 s，1+1.5 ppm）高效完成三維掃描任務。在測量流程上，遵循“一次布網(wǎng)、一次測量”的原則，確保控制點緊密圍繞目標測量位置布設，各級控制網(wǎng)與局部測量同步進行?？刂凭W(wǎng)的布設靈活適應工地管理需求，確保測量精度。此外，注重全域感知，力求在整體全局精度與局部精度之間達到最佳協(xié)調(diào)，從而全面、準確地完成測量工作。

3.2.3 主要儀器設備

結合本項目的精度要求和現(xiàn)場作業(yè)條件，主要選用的精密測量儀器有徠卡TS60測量機器人、TrimbleSX12三維激光掃描儀等。所有儀器設備在使用前進行嚴格檢查，確保在檢定的有效期內(nèi)，各項參數(shù)均在允許范圍內(nèi)。

3.3 基層結構三維重建的操作要點

全域感知技術將對項目的主體建筑和裙房進行基層結構的三維重建[3]。這個過程包括對桁架結構的復測，以及對各個區(qū)域和整體的模型重建。這些重建的模型將在打印版安裝之前用于明確施工情況，以確保施工的準確性和高效性。

計劃采用架站式掃描儀設備進行掃描，實現(xiàn)精度在10 mm以內(nèi)的重建工作，掃描的工作流程如下。

3.3.1 前期準備階段

作業(yè)前對儀器進行外觀檢查、通電檢查和相機檢查，并符合下列規(guī)定：①儀器外觀應無損傷，激光鏡頭應清潔無污染；②儀器通電檢查性能正常，電池容量和存儲容量應滿足作業(yè)要求；③當采用外置相機時，應進行相機主距、主點距離、畸變參數(shù)、安裝姿態(tài)等參數(shù)的校準。

3.3.2 數(shù)據(jù)采集階段。

控制網(wǎng)布設需考慮地形、目標物分布和精度要求，選擇適當?shù)燃?，均勻分布并編號控制點，全面覆蓋掃描區(qū)域，采用平面標靶。導線測量、GNSS測量和水準測量應符合國家現(xiàn)行相關標準。掃描站和標靶布設需符合規(guī)范，點云和紋理數(shù)據(jù)采集需達到規(guī)范精度?，F(xiàn)場需做好記錄，包括繪制示意圖、拍照并記錄編號。掃描完畢后，需核驗數(shù)據(jù)，異常時補充掃描。數(shù)據(jù)處理包括點云配準、降噪抽稀、坐標轉換等。最后，與設計模型比對，修正超差基層結構，反饋允許偏差部件至下一步序。

3.4 外墻安裝施工的操作要點

3.4.1 龍骨鋼龍骨單元劃分要求

龍骨鋼龍骨單元在滿足吊裝單元及施工方便的情況下，盡量保持其整體性，以盡可能減少接頭，減少安裝偏差[4]。減少散件進場數(shù)量，盡量整體進場，加快安裝進度。考慮到運輸方便，鋼龍骨單元寬度不應超過2 m，長度不應超過8.4 m。鋼龍骨在拱處增加臨時加強支撐，保證整體剛度。其余鋼龍骨散件進場時按安裝區(qū)域劃分編號并減少錯誤。

3.4.2 拼裝胎架

根據(jù)更新后的構件的分段方案，利用精度控制點，制作拼裝以及現(xiàn)場施工所用的胎架，使構件安裝時能夠便捷快速安裝。胎架支撐下部可調(diào)整高度及位置，便于其余鋼龍骨單元的定位，支撐上部角度可旋轉，以適應各管的方向。

3.4.3 設備選擇

根據(jù)構件所在施工段及位置確定以下機械選擇方案，見表1。

A、C施工段位于建筑的東、西兩方向，同時構件最大安裝高度為17.8 m，故采用臨工H1840型叉裝車+25 t汽車吊的機械組合進行施工，其中25 t汽車吊主要用來進行卸車，臨工H1840型叉裝車主要用來在汽車吊無法進入的地下室頂板處對龍骨單元翻轉或轉運，作用與叉車相同，但其優(yōu)勢在于可把龍骨單元吊裝較高用來在地面組裝處把龍骨單元翻轉，便于吊裝。

B、D施工段由于位于門洞等位置且存在往建筑內(nèi)部的進深等情況，采用機械可造成施工不便，其高度最大為10.2 m，采用12 m剪刀車進行散件安裝，采用臨工H1840型叉裝車的作叉車用于打包的構件的運輸及轉運。

3.4.4 構件轉運方案

現(xiàn)場采取的轉運方案為吊車/叉裝車+小型平板車組合的轉運方案，只有施工段A、C懸挑段采取龍骨單元的吊裝的方式，其余區(qū)均采用散件進場高空組裝的方式，只需轉運構件而不是龍骨單元[5]。構件堆放區(qū)、龍骨單元組裝區(qū)位于施工段C的東側、施工段A的西側，其中施工段A、C區(qū)通過吊車/叉裝車+小型貨車的方式進行轉運構件，施工段B、D區(qū)的構件盡量在構件進場時就堆放在施工區(qū)域內(nèi)，如現(xiàn)場無法堆放，可堆放在構件堆放區(qū)，通過吊車/叉裝車+小型平板車組合的方式進行轉運構件。

3.4.5 施工安全設施（鋼結構安裝所需操作平臺、工裝）

由于打印板及鋼龍骨安裝時，在下部鋼龍骨連接處及頂部與主鋼結構連接處均需要焊接，下部桿件焊接采用曲臂車。為保證作業(yè)人員安全，在頂部焊接時采用專業(yè)廠家生產(chǎn)的成品電動吊籃，吊籃自重控制約78 kg，最大載重量350 kg，最大提升能力500 kg，吊籃與主結構連接采用兩塊厚度為12 mm鋼板與主結構連接，作業(yè)時安全帶獨立懸掛于主結構的安全繩上。在通向主結構梁兩側設安全繩，必要時使用專用爬梯供作業(yè)人員行走。

3.4.6 施工預起拱

按規(guī)范及設計要求，施工預起拱數(shù)值1/600，按鋼龍骨單元長度計算預起拱數(shù)值為8 400/600 =14 mm，鋼龍骨單元在吊裝時計算撓度在3.4 mm，需對鋼龍骨單元預起拱數(shù)值取二者中值9 mm。

3.4.7 安裝順序與后裝帶規(guī)劃

整體3D打印構件安裝順序按前面工作面移交順序，為D→E→A→B→C的順序安裝，A、C部分在盡量不影響裙房施工的情況下盡快安裝完成。

3.4.8 構件三維掃描重建與誤差檢查

3D打印構件在出廠前，對所有板材進行三維掃描逆向建模，生成數(shù)字化三維掃描模型，與板材成品及原生產(chǎn)模型一一對應。將三維掃描模型與原生產(chǎn)模型進行比對復核，檢測誤差。

1）三維掃描設備、校準、測量、建模過程皆應符合JJF 1951—2021《基于結構光掃描的光學三維測量系統(tǒng)校準規(guī)范》等現(xiàn)行國際、國家、行業(yè)有關標準、規(guī)范的規(guī)定及設計要求。

2）三維掃描模型與對應原生產(chǎn)模型依據(jù)對齊規(guī)則進行合模，合模結果應合理、穩(wěn)定、可重復。

3）對于三維掃描模型與對應原生產(chǎn)模型的偏差檢測，根據(jù)檢測件最長邊長lmax的不同，設定了相應的允許偏差范圍：當lmax≤600 mm時，平均偏差≤2.0 mm，最大偏差≤4.0 mm；當600 mm＜lmax≤2 000 mm時，平均偏差≤5.0 mm，最大偏差≤10.0 mm ；當lmax＞2 000 mm時，平均偏差≤8.0 mm，最大偏差≤16.0 mm。只有滿足這些偏差要求的產(chǎn)品，方可視為合格品出廠。

3.4.9 模擬安裝與定位數(shù)據(jù)導出

在軟件環(huán)境中，對三維掃描模型執(zhí)行模擬安裝過程，這一步驟旨在驗證預拼裝的效果、確認安裝操作所需的空間，并檢查與其他構件間是否存在潛在的碰撞問題。確保模擬過程無誤之后，系統(tǒng)會導出3D打印構件材料的定位數(shù)據(jù)以及對應的板材編號，這些數(shù)據(jù)被整理成定位數(shù)據(jù)集，供現(xiàn)場人員進行精確的點位定位作業(yè)。具體導出的信息包含每個板材的唯一編號、多個定位點的標識（如A、B、C、D等），以及這些定位點在三維空間中的坐標值（雖然表格中未給出具體數(shù)值，但應包含D、N、Z三個維度的數(shù)據(jù)）。這樣的數(shù)據(jù)集為現(xiàn)場安裝提供了精準的參考依據(jù)。

3.4.10 現(xiàn)場打點定位安裝

3D打印構件安裝前應對鋼龍骨進行測量放線，并對安裝部位結構進行檢查。對應編號的板材吊裝就位后，經(jīng)定位測量，應確定定位點的三維坐標偏差允許誤差范圍內(nèi)后方可固定，避免誤差累積。

3.4.11 鋼支座安裝

鋼支座安裝前，核對龍骨安裝位置，各部分尺寸確認與圖紙一致，以保證橫龍骨與打印板之間相對位置準確。鋼支座通過螺栓固定于龍骨上，調(diào)整好角度及位置后，與龍骨進行焊接。

3.4.12 后裝帶復測與重新生產(chǎn)

待相鄰作業(yè)面的板材安裝完成后，使用三維掃描逆向建模復核。對比偏差滿足安裝偏差要求時，將應用編號的3D打印構件按原計劃安裝。

對比偏差不滿足安裝要求時，應根據(jù)三維掃描模型調(diào)整原生產(chǎn)模型后重新生產(chǎn)，并對新生產(chǎn)的板材進行三維掃描重建檢查誤差及安裝模擬。模擬無誤后導出新的定位點數(shù)據(jù)現(xiàn)場使用新生產(chǎn)的板材與定位數(shù)據(jù)進行安裝。

4 結語

3D打印板相較于常規(guī)施工工藝，顯著優(yōu)勢在于避免了開模環(huán)節(jié)，降低了成本。其工廠化加工方式確保了裝飾材料尺寸精確，飾面感官效果出眾，同時保障了施工現(xiàn)場的安全與整潔。該工藝施工速度快、精度高、工期短，經(jīng)濟效益顯著，且可操作性強、工序銜接緊密。3D打印外墻飾面耐候性能優(yōu)異，使用年限可達25年，具有推廣價值和社會效益。在雄安工程項目中，通過優(yōu)化創(chuàng)新，總結了大懸挑結構底面3D打印外墻板安裝施工方法，該工藝可推廣性強，應用前景廣闊。

參考文獻

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