試驗樓項目3D打印建筑施工技術研究

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13D打印技術在建筑領域的應用概況

3D打印技術是一種通過連續(xù)的物理層疊加、逐層增加材料來實現(xiàn)三維實體的先進制造技術，具有數(shù)字化、網(wǎng)絡化、個性化和定制化的特點。3D打印技術和普通打印過程非常相似，可以預先在計算機設計好產(chǎn)品的信息，再交由機器打印，不同之處在于，普通油墨變成了塑料、纖維、粉末等材料，通過巨型噴嘴噴出，層層疊加形成一個實體產(chǎn)品。3D打印技術在航空航天、汽車、醫(yī)療器械和模具制造等行業(yè)運用成熟，并逐步運用于建筑領域。3D打印建筑尚處于摸索階段，美國南加州大學工業(yè)與系統(tǒng)工程教授比洛克•霍什內(nèi)維斯提出輪廓工藝3D打印技術，設計的3D打印機像一臺懸停于建筑物之上的橋式起重機，兩邊是軌道，中間的橫梁是打印頭。該工藝按照預先設計的CAD圖紙，通過計算機操控巨型噴嘴進行x軸和y軸的打印工作，逐層打印出墻壁和隔間等，最后完成整棟房子的基本構(gòu)架，最后由人工完成水電、供熱管道、門窗和吊頂?shù)鹊陌惭b(見圖1)。在國內(nèi)，上海盈創(chuàng)建筑科技有限公司自主研發(fā)了3D打印設備、打印油墨和連續(xù)打印技術，利用建筑物廢料加上水泥、纖維、有機黏合劑等制作的“油墨”進行逐層噴射、循環(huán)打印、快速凝固成型，從而打印房屋。盈創(chuàng)公司運用該技術在上海青浦打印出了10棟實體房屋(見圖2)，該批建筑所用材料來自于建筑廢料，全過程由計算機操作，大大降低了建筑成本。青浦3D打印房屋的建造是3D打印建筑技術向前邁出的重要一步，但是由于目前3D打印建筑材料強度較低，打印質(zhì)量不穩(wěn)定，墻體脆性較大，易開裂等缺陷，在一定程度上限制了其打印高度，目前國內(nèi)外打印的建筑大多為1～2層。為研究3D打印建筑技術，并保證其安全性，推廣3D打印建筑的應用，同濟大學、中國建筑第八工程局有限公司和盈創(chuàng)公司開展了一系列的3D打印建筑材料和結(jié)構(gòu)體系的研發(fā)，并在蘇州建造實體建筑。本文首先介紹該3D打印配筋砌體試驗樓項目的概況和設計方案，然后對施工中遇到的難點做簡要分析總結(jié)，為下一步3d打印實體建筑的深化設計和施工提供參考。

2工程概況

3D打印配筋砌體試驗樓項目位于蘇州市工業(yè)園區(qū)，試驗樓占地面積150m2，底層為14.2m×10.1m的規(guī)則矩形，筏板基礎，按12層住宅樓研發(fā)設計，實際打印高度15.3m，層高為2.8m，地上共5層，地下1層，建成后如圖3所示。3D打印多層實體建筑在國內(nèi)尚屬首例，沒有特定的設計規(guī)范可以選用，作為科研嘗試，設計人員在參照了現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)體系和相關設計規(guī)范后，提出了創(chuàng)新結(jié)構(gòu)體系———3D打印配筋砌體剪力墻結(jié)構(gòu)。該試驗樓在3D打印墻體內(nèi)布置豎向和水平分布鋼筋，澆筑柱芯混凝土;樓面板為100mm厚、雙層雙向配筋的現(xiàn)澆混凝土板;每層設置與樓板整澆的現(xiàn)澆混凝土圈梁，兼作窗洞口處過梁。該體系豎向荷載由樓板傳遞給墻體，水平荷載通過樓板按各墻體剛度分配給墻體，再由墻體傳遞給基礎，實現(xiàn)墻體和樓面板的共同受力。

3工程特點和難點

3D打印多層實體建筑沒有先例可循，所有的縱橫墻體在工廠打印后，運送到現(xiàn)場進行拼裝。因此如何劃分墻體構(gòu)件、如何保證墻體自身的強度和剛度、如何實現(xiàn)墻體與樓板的可靠連接是需要重點解決的問題和難點。1)為了解決最初墻體自身剛度不足、墻身易開裂等問題，深化設計時在原來中空的墻體內(nèi)部增設水平向桁架，且墻體在打印時沿高度方向增設水平鋼筋網(wǎng)片。施工時在房屋轉(zhuǎn)角部位、主要受力部位和局部需加強部位均增設芯柱，布豎向插筋，孔洞內(nèi)澆筑C20柱芯混凝土。2)為避免墻體出現(xiàn)水平向拼接縫影響結(jié)構(gòu)的整體性，每層墻體在高度方向一次打印成型。預留的豎向拼接縫避開房屋轉(zhuǎn)角部位、主要受力部位和局部需加強部位，每層墻體按平面位置和尺寸細分到27種構(gòu)件塊型，并按一定順序編好號(見圖4)。3)為增強3D打印墻體與圈梁、樓板的連接，設計提出縱向貫通配筋，施工時在墻體孔洞內(nèi)插入豎向鋼筋，并與圈梁鋼筋綁扎固定。豎向鋼筋應與基礎或基礎梁中的預埋鋼筋連接，上下層的鋼筋可在樓板面上搭接，搭接長度≥40d。墻體構(gòu)件豎向孔洞內(nèi)灌注混凝土，使混凝土灌滿墻體構(gòu)件內(nèi)所有孔隙，達到孔洞內(nèi)的現(xiàn)澆混凝土與鋼筋共同受力，使其結(jié)構(gòu)受力機理類同鋼筋混凝土剪力墻體系。4)由于墻體在每層豎向一次打印成型，再往墻體孔洞內(nèi)澆筑灌芯混凝土。墻體高2.8m，孔洞直徑過小，施工中振搗難度大，最終選用自密實混凝土進行墻體灌芯澆筑。

4主要施工方法

1)施工準備施工準備中很重要的一項內(nèi)容就是編制墻體平、立面排塊圖，不僅需要根據(jù)設計圖確定各墻體構(gòu)件的尺寸和配筋，且在編制時宜與水電管線專業(yè)人員共同商定。墻體排塊圖編制好后，交付3D打印機一次打印，墻體做好編號并運至施工現(xiàn)場堆放整齊，堆放場地應堅實、平整、干燥，保證墻體構(gòu)件堆放平穩(wěn)。2)基層表面清理墻體吊裝前，應先進行基層表面的清理工作，清除灰渣、碎石等雜物，墻體下部樓面需鑿毛，校核預留鋼筋的位置，設統(tǒng)一標高控制線，標明圈梁、過梁等的尺寸標高。安裝3D打印墻體構(gòu)件時，必須坐漿墊平，鋪漿厚度應≥20mm。3)墻體構(gòu)件吊裝、定位、臨時固定墻體在起吊和搬運時，必須平穩(wěn)以免損壞墻身，嚴禁在場地直接拖拉墻體。墻體構(gòu)件按施工圖紙及編號吊裝到指定位置，讓底部的預留鋼筋穿過墻體構(gòu)件孔洞，并做好墻體構(gòu)件的臨時固定。實時復核墻體的垂直度、墻身長度;吊裝完每一樓層墻體后，校核墻體的軸線尺寸和標高;允許范圍內(nèi)的軸線及標高的偏差，可在樓板面上予以校正。施工中發(fā)現(xiàn)有明顯打印誤差的墻體，應及時復核校正，必要時重新打印墻體構(gòu)件，避免現(xiàn)場切割墻體或填補。4)模板支設，綁扎鋼筋等支設圈梁、過梁、樓板的模板，施工中應防止雜物散落在墻體孔洞內(nèi)。綁扎鋼筋并按設計插入豎向鋼筋，矯正豎向插筋的位置并與圈梁鋼筋籠綁扎固定。在墻體拼接縫兩側(cè)支設模板，模板必須緊貼墻面，并將拼接縫封堵嚴密，支撐牢固，避免灌芯混凝土澆筑時出現(xiàn)爆漿的情況。為避免澆筑時污染墻面，灌芯混凝土澆筑前，澆筑部位墻面用塑料布覆蓋。5)混凝土澆筑墻體柱芯混凝土澆筑時，由澆筑工人控制下料、逐孔澆筑，柱芯所用混凝土為自密實混凝土，每次澆筑高度控制在半個樓層高(1.4m)。澆筑至墻體頂部時，預留50mm高度和圈梁混凝土一起澆筑，以加強墻體構(gòu)件與混凝土圈梁的連接。圈梁、過梁和樓板混凝土澆筑時，混凝土坍落度宜＞200mm。6)清理墻體表面拆模后對墻面進行必要的清理，鑿除墻體拼接縫處外溢的砂漿并做修補。7)檢查驗收參照《砌體結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB50203—2011中配筋砌體工程的相關規(guī)定對試驗樓項目進行驗收，該3D打印配筋砌體試驗樓符合相關驗收標準。

53D打印實體建筑需注意的問題

1)3D打印墻體構(gòu)件施工過程中，需要指定專人負責墻體的進場、堆放及吊裝定位時的核準，以保證墻體對號入座并能及時糾偏。將墻體編號、對應位置、標高和墻身垂直度作為核對的基本內(nèi)容，同時，在墻體構(gòu)件吊裝和定位時要充分注意預留鋼筋的位置，保證預留鋼筋與構(gòu)件孔洞一一對應。2)施工中發(fā)現(xiàn)部分3D打印墻體構(gòu)件存在明顯的打印誤差，出現(xiàn)墻體截面高低不平整、墻體過長或過短需要現(xiàn)場切割或填縫等問題，造成施工中上下層墻體定位困難、混凝土澆筑時漏漿等現(xiàn)象的發(fā)生。尤其需要注意的是樓梯間兩側(cè)墻體與混凝土圈梁的位置關系，在上下層墻體構(gòu)件出現(xiàn)打印誤差時，需要及時糾正，保證墻體構(gòu)件與混凝土圈梁、板外緣在一個豎向平面內(nèi)。墻體構(gòu)件出現(xiàn)微小偏差時，施工中可以采取微調(diào)或修補的措施，若偏差較大，則需要根據(jù)現(xiàn)場情況修改上層墻體構(gòu)件尺寸，重新打印。3)3D打印墻體時根據(jù)建筑設計圖紙及結(jié)構(gòu)設計圖紙，預留了門窗洞口，但是未考慮其他專業(yè)孔洞尺寸，施工中發(fā)現(xiàn)其他專業(yè)開孔洞時極易造成開洞面積過大，墻體破損，后期需要修補，費時費工且影響墻體美觀。建議其他專業(yè)孔洞尺寸大于600mm×600mm的3D打印墻體時應預留孔洞，介于600mm×600mm與300mm×300mm之間的在墻體灌芯混凝土澆筑前先切割孔洞，洞內(nèi)填塞塑料泡沫塊防止?jié)仓r漏漿，小于300mm×300mm的孔洞及線槽可由專業(yè)施工隊伍根據(jù)操作規(guī)程進行開鑿。

6結(jié)語

3D打印建筑材料可以采用建筑廢料進行加工，打印過程不產(chǎn)生建筑垃圾，可實現(xiàn)個性化制作、一次性成型、工期短、經(jīng)濟環(huán)保等目標。但3D打印實體建筑仍處于起步階段，面臨很多瓶頸和挑戰(zhàn)。打印設備的研發(fā)、3D打印建筑材料的改進與完善、適用于3D打印技術的建筑結(jié)構(gòu)體系的研發(fā)、施工關鍵技術的研究、驗收標準等都是尚待探索和解決的問題。蘇州試驗樓在參照國內(nèi)現(xiàn)有規(guī)范、標準，結(jié)合現(xiàn)有3D打印技術提出的3D打印配筋砌體剪力墻結(jié)構(gòu)在一定程度上解決了結(jié)構(gòu)體系適用性的問題，施工過程墻體構(gòu)件的劃分、墻體與樓面板的連接處理等技術的研究都給3D打印實體建筑積累了寶貴的經(jīng)驗，該試驗樓的成功建造突破了3D打印建筑技術只能建設3層以下房屋的瓶頸，引領著3D打印建筑向高層、超高層攻關。

作者：王麗萍1 徐蓉1 苗冬梅2 金鋼2 葛杰2 白潔2 單位：1.同濟大學土木工程學院 2.中國建筑第八工程局有限公司工程研究院