試驗(yàn)樓項(xiàng)目3D打印建筑施工技術(shù)研究

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13D打印技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用概況

3D打印技術(shù)是一種通過(guò)連續(xù)的物理層疊加、逐層增加材料來(lái)實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體的先進(jìn)制造技術(shù)，具有數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化和定制化的特點(diǎn)。3D打印技術(shù)和普通打印過(guò)程非常相似，可以預(yù)先在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)好產(chǎn)品的信息，再交由機(jī)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(guò)巨型噴嘴噴出，層層疊加形成一個(gè)實(shí)體產(chǎn)品。3D打印技術(shù)在航空航天、汽車(chē)、醫(yī)療器械和模具制造等行業(yè)運(yùn)用成熟，并逐步運(yùn)用于建筑領(lǐng)域。3D打印建筑尚處于摸索階段，美國(guó)南加州大學(xué)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(shù)，設(shè)計(jì)的3D打印機(jī)像一臺(tái)懸停于建筑物之上的橋式起重機(jī)，兩邊是軌道，中間的橫梁是打印頭。該工藝按照預(yù)先設(shè)計(jì)的CAD圖紙，通過(guò)計(jì)算機(jī)操控巨型噴嘴進(jìn)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(mén)窗和吊頂?shù)鹊陌惭b(見(jiàn)圖1)。在國(guó)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(shè)備、打印油墨和連續(xù)打印技術(shù)，利用建筑物廢料加上水泥、纖維、有機(jī)黏合劑等制作的“油墨”進(jìn)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(yùn)用該技術(shù)在上海青浦打印出了10棟實(shí)體房屋(見(jiàn)圖2)，該批建筑所用材料來(lái)自于建筑廢料，全過(guò)程由計(jì)算機(jī)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(shù)向前邁出的重要一步，但是由于目前3D打印建筑材料強(qiáng)度較低，打印質(zhì)量不穩(wěn)定，墻體脆性較大，易開(kāi)裂等缺陷，在一定程度上限制了其打印高度，目前國(guó)內(nèi)外打印的建筑大多為1～2層。為研究3D打印建筑技術(shù)，并保證其安全性，推廣3D打印建筑的應(yīng)用，同濟(jì)大學(xué)、中國(guó)建筑第八工程局有限公司和盈創(chuàng)公司開(kāi)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(shí)體建筑。本文首先介紹該3D打印配筋砌體試驗(yàn)樓項(xiàng)目的概況和設(shè)計(jì)方案，然后對(duì)施工中遇到的難點(diǎn)做簡(jiǎn)要分析總結(jié)，為下一步3d打印實(shí)體建筑的深化設(shè)計(jì)和施工提供參考。

2工程概況

3D打印配筋砌體試驗(yàn)樓項(xiàng)目位于蘇州市工業(yè)園區(qū)，試驗(yàn)樓占地面積150m2，底層為14.2m×10.1m的規(guī)則矩形，筏板基礎(chǔ)，按12層住宅樓研發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)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(shí)體建筑在國(guó)內(nèi)尚屬首例，沒(méi)有特定的設(shè)計(jì)規(guī)范可以選用，作為科研嘗試，設(shè)計(jì)人員在參照了現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)體系和相關(guān)設(shè)計(jì)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(yàn)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(shè)置與樓板整澆的現(xiàn)澆混凝土圈梁，兼作窗洞口處過(guò)梁。該體系豎向荷載由樓板傳遞給墻體，水平荷載通過(guò)樓板按各墻體剛度分配給墻體，再由墻體傳遞給基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)墻體和樓面板的共同受力。

3工程特點(diǎn)和難點(diǎn)

3D打印多層實(shí)體建筑沒(méi)有先例可循，所有的縱橫墻體在工廠(chǎng)打印后，運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝。因此如何劃分墻體構(gòu)件、如何保證墻體自身的強(qiáng)度和剛度、如何實(shí)現(xiàn)墻體與樓板的可靠連接是需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題和難點(diǎn)。1)為了解決最初墻體自身剛度不足、墻身易開(kāi)裂等問(wèn)題，深化設(shè)計(jì)時(shí)在原來(lái)中空的墻體內(nèi)部增設(shè)水平向桁架，且墻體在打印時(shí)沿高度方向增設(shè)水平鋼筋網(wǎng)片。施工時(shí)在房屋轉(zhuǎn)角部位、主要受力部位和局部需加強(qiáng)部位均增設(shè)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(yù)留的豎向拼接縫避開(kāi)房屋轉(zhuǎn)角部位、主要受力部位和局部需加強(qiáng)部位，每層墻體按平面位置和尺寸細(xì)分到27種構(gòu)件塊型，并按一定順序編好號(hào)(見(jiàn)圖4)。3)為增強(qiáng)3D打印墻體與圈梁、樓板的連接，設(shè)計(jì)提出縱向貫通配筋，施工時(shí)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(yīng)與基礎(chǔ)或基礎(chǔ)梁中的預(yù)埋鋼筋連接，上下層的鋼筋可在樓板面上搭接，搭接長(zhǎng)度≥40d。墻體構(gòu)件豎向孔洞內(nèi)灌注混凝土，使混凝土灌滿(mǎn)墻體構(gòu)件內(nèi)所有孔隙，達(dá)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(jī)理類(lèi)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(guò)小，施工中振搗難度大，最終選用自密實(shí)混凝土進(jìn)行墻體灌芯澆筑。

4主要施工方法

1)施工準(zhǔn)備施工準(zhǔn)備中很重要的一項(xiàng)內(nèi)容就是編制墻體平、立面排塊圖，不僅需要根據(jù)設(shè)計(jì)圖確定各墻體構(gòu)件的尺寸和配筋，且在編制時(shí)宜與水電管線(xiàn)專(zhuān)業(yè)人員共同商定。墻體排塊圖編制好后，交付3D打印機(jī)一次打印，墻體做好編號(hào)并運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)堆放整齊，堆放場(chǎng)地應(yīng)堅(jiān)實(shí)、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(yīng)先進(jìn)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(yù)留鋼筋的位置，設(shè)統(tǒng)一標(biāo)高控制線(xiàn)，標(biāo)明圈梁、過(guò)梁等的尺寸標(biāo)高。安裝3D打印墻體構(gòu)件時(shí)，必須坐漿墊平，鋪漿厚度應(yīng)≥20mm。3)墻體構(gòu)件吊裝、定位、臨時(shí)固定墻體在起吊和搬運(yùn)時(shí)，必須平穩(wěn)以免損壞墻身，嚴(yán)禁在場(chǎng)地直接拖拉墻體。墻體構(gòu)件按施工圖紙及編號(hào)吊裝到指定位置，讓底部的預(yù)留鋼筋穿過(guò)墻體構(gòu)件孔洞，并做好墻體構(gòu)件的臨時(shí)固定。實(shí)時(shí)復(fù)核墻體的垂直度、墻身長(zhǎng)度;吊裝完每一樓層墻體后，校核墻體的軸線(xiàn)尺寸和標(biāo)高;允許范圍內(nèi)的軸線(xiàn)及標(biāo)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(yīng)及時(shí)復(fù)核校正，必要時(shí)重新打印墻體構(gòu)件，避免現(xiàn)場(chǎng)切割墻體或填補(bǔ)。4)模板支設(shè)，綁扎鋼筋等支設(shè)圈梁、過(guò)梁、樓板的模板，施工中應(yīng)防止雜物散落在墻體孔洞內(nèi)。綁扎鋼筋并按設(shè)計(jì)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(shè)模板，模板必須緊貼墻面，并將拼接縫封堵嚴(yán)密，支撐牢固，避免灌芯混凝土澆筑時(shí)出現(xiàn)爆漿的情況。為避免澆筑時(shí)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(shí)，由澆筑工人控制下料、逐孔澆筑，柱芯所用混凝土為自密實(shí)混凝土，每次澆筑高度控制在半個(gè)樓層高(1.4m)。澆筑至墻體頂部時(shí)，預(yù)留50mm高度和圈梁混凝土一起澆筑，以加強(qiáng)墻體構(gòu)件與混凝土圈梁的連接。圈梁、過(guò)梁和樓板混凝土澆筑時(shí)，混凝土坍落度宜＞200mm。6)清理墻體表面拆模后對(duì)墻面進(jìn)行必要的清理，鑿除墻體拼接縫處外溢的砂漿并做修補(bǔ)。7)檢查驗(yàn)收參照《砌體結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50203—2011中配筋砌體工程的相關(guān)規(guī)定對(duì)試驗(yàn)樓項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)收，該3D打印配筋砌體試驗(yàn)樓符合相關(guān)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

53D打印實(shí)體建筑需注意的問(wèn)題

1)3D打印墻體構(gòu)件施工過(guò)程中，需要指定專(zhuān)人負(fù)責(zé)墻體的進(jìn)場(chǎng)、堆放及吊裝定位時(shí)的核準(zhǔn)，以保證墻體對(duì)號(hào)入座并能及時(shí)糾偏。將墻體編號(hào)、對(duì)應(yīng)位置、標(biāo)高和墻身垂直度作為核對(duì)的基本內(nèi)容，同時(shí)，在墻體構(gòu)件吊裝和定位時(shí)要充分注意預(yù)留鋼筋的位置，保證預(yù)留鋼筋與構(gòu)件孔洞一一對(duì)應(yīng)。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(guò)長(zhǎng)或過(guò)短需要現(xiàn)場(chǎng)切割或填縫等問(wèn)題，造成施工中上下層墻體定位困難、混凝土澆筑時(shí)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(guān)系，在上下層墻體構(gòu)件出現(xiàn)打印誤差時(shí)，需要及時(shí)糾正，保證墻體構(gòu)件與混凝土圈梁、板外緣在一個(gè)豎向平面內(nèi)。墻體構(gòu)件出現(xiàn)微小偏差時(shí)，施工中可以采取微調(diào)或修補(bǔ)的措施，若偏差較大，則需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況修改上層墻體構(gòu)件尺寸，重新打印。3)3D打印墻體時(shí)根據(jù)建筑設(shè)計(jì)圖紙及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，預(yù)留了門(mén)窗洞口，但是未考慮其他專(zhuān)業(yè)孔洞尺寸，施工中發(fā)現(xiàn)其他專(zhuān)業(yè)開(kāi)孔洞時(shí)極易造成開(kāi)洞面積過(guò)大，墻體破損，后期需要修補(bǔ)，費(fèi)時(shí)費(fèi)工且影響墻體美觀。建議其他專(zhuān)業(yè)孔洞尺寸大于600mm×600mm的3D打印墻體時(shí)應(yīng)預(yù)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(shí)漏漿，小于300mm×300mm的孔洞及線(xiàn)槽可由專(zhuān)業(yè)施工隊(duì)伍根據(jù)操作規(guī)程進(jìn)行開(kāi)鑿。

6結(jié)語(yǔ)

3D打印建筑材料可以采用建筑廢料進(jìn)行加工，打印過(guò)程不產(chǎn)生建筑垃圾，可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化制作、一次性成型、工期短、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等目標(biāo)。但3D打印實(shí)體建筑仍處于起步階段，面臨很多瓶頸和挑戰(zhàn)。打印設(shè)備的研發(fā)、3D打印建筑材料的改進(jìn)與完善、適用于3D打印技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)體系的研發(fā)、施工關(guān)鍵技術(shù)的研究、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等都是尚待探索和解決的問(wèn)題。蘇州試驗(yàn)樓在參照國(guó)內(nèi)現(xiàn)有規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)有3D打印技術(shù)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(wèn)題，施工過(guò)程墻體構(gòu)件的劃分、墻體與樓面板的連接處理等技術(shù)的研究都給3D打印實(shí)體建筑積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，該試驗(yàn)樓的成功建造突破了3D打印建筑技術(shù)只能建設(shè)3層以下房屋的瓶頸，引領(lǐng)著3D打印建筑向高層、超高層攻關(guān)。

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(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 2.中國(guó)建筑第八工程局有限公司工程研究院