藺喜強(qiáng) 霍亮 蘇凱 黃云 張濤 李國(guó)友 戢文占

（1 中國(guó)建筑股份有限公司技術(shù)中心，北京 101300；2 中建二局廣東建設(shè)基地有限公司，廣東 河源 517373；3 中建科技有限公司，北京 100195）

0 前言

建筑3D打印技術(shù)本質(zhì)上是綜合利用施工管理、材料、計(jì)算機(jī)與機(jī)械等技術(shù)的特定組合完成工程建造的技術(shù)[1-2]。隨著對(duì)技術(shù)的不斷研究，已經(jīng)能夠打印一些建筑構(gòu)件以及結(jié)構(gòu)、形狀不太復(fù)雜的小型建筑。目前，對(duì)于較大的3D打印示范工程，還主要是打印墻體構(gòu)件，然后拼裝成設(shè)計(jì)的建筑成品[3-5]。國(guó)內(nèi)外對(duì)建筑3D打印技術(shù)在房屋建筑、工程建造領(lǐng)域的探索性研究和應(yīng)用逐漸增多[6-9]。我國(guó)的建筑3D打印技術(shù)研究呈現(xiàn)多點(diǎn)開花的態(tài)勢(shì)，在3D打印機(jī)[10-13]、3D打印混凝土[14-16]的研發(fā)方面已有許多企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)取得了不少研究成果，并利用這些成果在實(shí)際工程中進(jìn)行了應(yīng)用研究[17-19]。

中建技術(shù)中心依托中建總公司立項(xiàng)課題《建筑3D打印技術(shù)研究及應(yīng)用示范》，近年來在建筑3D打印系統(tǒng)、3D打印混凝土方面進(jìn)行了研究，并開展了建筑3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究。中建技術(shù)中心聯(lián)合中建機(jī)械公司、中建二局廣東建設(shè)基地有限公司在廣東省河源市完成了一座雙層辦公室的原位3D打印的示范工程應(yīng)用。本文主要介紹其3D打印施工工藝以及在機(jī)械、結(jié)構(gòu)、材料方面的施工關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況及施工流程

1.1 工程概況

本項(xiàng)目是中建二局廣東建設(shè)基地有限公司內(nèi)部車間旁的一座二層辦公樓項(xiàng)目?；诮ㄔO(shè)單位對(duì)辦公室功能用途的需求和保持廠區(qū)整體風(fēng)格的一致性，建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，地上兩層，底層為2間辦公室和1間展廳，上層為2間辦公室和1間會(huì)議室，建筑高度7.2m，建筑面積230m2，占地面積118m2，長(zhǎng)向跨度16.7m，寬度7.5m。參見圖1、圖2。

圖1 二層辦公室的建筑設(shè)計(jì)Fig.1 Architectural design of two-story office

圖2 3D打印施工完成的辦公室Fig.2 The Office completed by 3D printing

1.2 施工工藝流程圖

項(xiàng)目設(shè)計(jì)的兩層辦公室的施工順序是：基礎(chǔ)施工—首層3D打印結(jié)構(gòu)施工—預(yù)制疊合梁板安裝并澆筑—二層3D打印結(jié)構(gòu)施工—封頂—建筑裝修。圖3為施工工藝流程圖。建筑基礎(chǔ)部分與傳統(tǒng)基礎(chǔ)施工工藝相同，在建筑基礎(chǔ)施工時(shí)按圖紙位置錨固打印機(jī)柱角連接螺栓和生根鋼筋。首層3D打印施工是在墻體3D打印過程中同時(shí)進(jìn)行電路管線、水平鋼筋的布置安裝；打印完成后養(yǎng)護(hù)3天，之后進(jìn)行構(gòu)造柱豎向鋼筋籠的吊裝，并灌漿或澆筑混凝土；然后吊裝預(yù)制梁、板，綁扎鋼筋后澆筑混凝土面層。二層3D打印順序與首層基本相同。3D打印施工部分首層打印用時(shí)25.7小時(shí)，打印混凝土用量14.75m3，二層打印用時(shí)23.8小時(shí)，打印混凝土用量13.48m3。打印過程用工9人，其中打印機(jī)控制1人，材料制備3人，水平鋼筋布置2人，養(yǎng)護(hù)1人，電路管線布置2人。

圖3 3D打印建筑施工工藝流程Fig.3 Construction process of 3D printing office

2 原位3D打印建筑施工關(guān)鍵技術(shù)

本項(xiàng)目建筑面積不大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度比較簡(jiǎn)單，但對(duì)于首次利用3D打印進(jìn)行原位打印來說，需要解決包括超大型建筑3D打印機(jī)的設(shè)計(jì)、3D打印混凝土、3D打印控制軟件、模型路徑轉(zhuǎn)化、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、管線協(xié)同施工等多方面的技術(shù)問題。

2.1 3D打印建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照3D打印辦公室的建筑設(shè)計(jì)，首先需要解決建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。目前，建筑3D打印只能在局部采用鋼筋網(wǎng)片或鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)，難以達(dá)到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范要求。普遍的混凝土打印形式有兩種：一種是帶肋打印墻體形式，如圖4所示；另一種是純粹的打印模殼的空心墻體形式，如圖5所示。兩種形式的共同點(diǎn)是打印完成后墻體中空部分可以填充混凝土、砂漿或保溫材料。但兩種形式的墻體還有著很大的不同。

圖4 3D打印帶肋墻體形式Fig.4 3D printed truss wall

圖5 3D打印中空墻體形式Fig.5 3D printed hollow wall

帶肋3D打印墻體的整體性更好，打印墻體構(gòu)件時(shí)大多采用這種打印形式。但是，如果在原位3D打印建筑中采用這種形式，其打印路徑會(huì)變長(zhǎng)，3D打印的建造效率會(huì)因此降低。采用這種打印形式，建筑設(shè)計(jì)構(gòu)造柱結(jié)構(gòu)不易實(shí)現(xiàn)，豎向鋼筋問題難以解決。此外，帶肋打印路徑上的水平鋼筋的網(wǎng)片加工和空心部分混凝土灌注的施工效率低。

相比前者，3D打印中空墻體打印形式相當(dāng)于只打印了模殼，是純粹的混凝土3D打印免模板施工，打印路徑短，施工效率高。在3D打印中空墻體中空腔體中，在構(gòu)造柱設(shè)計(jì)的地方吊裝鋼筋籠，通過在打印墻體底部預(yù)留焊孔就可以使鋼筋籠與基礎(chǔ)生根鋼筋焊接在一起，后澆筑混凝土使之成為滿足規(guī)范的構(gòu)造柱結(jié)構(gòu)。此外，墻體中空部分沒有打印肋隔阻，后期灌注混凝土或保溫材料施工會(huì)更加便捷，并結(jié)合砌體結(jié)構(gòu)水平配筋方法澆筑材料與布置的中空拉結(jié)筋成為一體，結(jié)構(gòu)性能更好。

因此，本項(xiàng)目選擇3D打印模殼的空心墻體形式作為示范建筑的打印方式。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上主要參照《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，并結(jié)合剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，進(jìn)行相對(duì)保守的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣3D打印建筑結(jié)構(gòu)符合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，能保證結(jié)構(gòu)的安全性。如圖6-圖12所示，項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)主要有：1）利用3D打印混凝土打印整個(gè)建筑的模板中空墻體；2）打印的墻體中設(shè)置吊裝鋼筋籠，澆筑混凝土形成構(gòu)造柱結(jié)構(gòu)；3）中空墻體拉筋鋼筋網(wǎng)片后灌注砂漿或混凝土，滿足砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求；4）樓面板以預(yù)制疊合梁板吊裝，并布筋澆筑混凝土面層。

圖6 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.6 Structural design

圖7 水平拉筋Fig.7 Horizontal bars

圖8 豎向鋼筋籠Fig.8 Vertical steel cage

圖9 基礎(chǔ)-鋼筋籠焊接Fig.9 Steel cage welded

圖10 豎向鋼筋籠安裝完成Fig.10 Vertical steel cage installation

圖11 構(gòu)造柱混凝土灌注Fig.11 Concrete pouring of tectonic columns

圖12 屋面預(yù)制梁板結(jié)構(gòu)Fig.12 Precast beam slabs for roof

2.2 建筑3D打印機(jī)

2.2.1 打印機(jī)的架體形式

本項(xiàng)目的建筑尺寸長(zhǎng)16.7m，寬7.5m，兩層高度7.2m。這要求建筑3D打印機(jī)需要大尺寸設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)形式合理適用、精度高、打印施工運(yùn)行控制可靠。

目前，國(guó)內(nèi)外建筑3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)形式有機(jī)械手臂式、框架式、龍門架式、極坐標(biāo)式等。在國(guó)內(nèi)示范應(yīng)用中，上海混凝土3D打印步行橋和3D打印趙州橋項(xiàng)目采用了機(jī)械手臂式3D打印機(jī)，在機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)覆蓋范圍內(nèi)打印構(gòu)件，然后裝配完成建筑。機(jī)械手臂可以多維度精確運(yùn)動(dòng)，靈活智能，但大尺寸構(gòu)件或建筑的打印會(huì)受機(jī)械手臂尺寸、成本制約，用于原位打印本項(xiàng)目則無法實(shí)現(xiàn)。龍門架式打印機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的特點(diǎn)，但是大尺寸下機(jī)器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性無法達(dá)到預(yù)期。極坐標(biāo)式旋轉(zhuǎn)打印機(jī)是一種具有良好前景的建筑3D打印機(jī)結(jié)構(gòu)形式，具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、移動(dòng)便攜的特點(diǎn)，同期迪拜完成的一座建筑面積640m2、高9.5m的二層建筑就是由極坐標(biāo)式3D打印機(jī)完成的[20]。

依實(shí)際需求，項(xiàng)目采用了較為傳統(tǒng)的框架式建筑3D打印機(jī)架體形式，并設(shè)計(jì)開發(fā)了適合現(xiàn)場(chǎng)混凝土3D打印的設(shè)備。設(shè)備可打印的有效范圍為長(zhǎng)16m×寬12m×高10m，可在工程現(xiàn)場(chǎng)地基基礎(chǔ)上直接打印一棟占地192m2兩層建筑的豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)。打印機(jī)主要由6根方鋼立柱、6根頂部橫梁、2根長(zhǎng)向滑軌橫梁、1根打印頭移動(dòng)橫梁組成。打印機(jī)由中建技術(shù)中心與中建機(jī)械共同設(shè)計(jì)，并由中建機(jī)械制造和安裝。設(shè)備安裝利用50噸吊車一臺(tái)，安裝工8人，用時(shí)2天完成了主架體安裝工作。6根立柱與基礎(chǔ)預(yù)埋件螺栓連接并調(diào)平，動(dòng)力采用工業(yè)伺服電機(jī)，運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)裝置采用齒輪、齒條的傳動(dòng)方式，打印機(jī)強(qiáng)弱電線路按設(shè)計(jì)布置后接入3D打印機(jī)控制箱即可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)調(diào)試。

圖13 建筑3D打印機(jī)設(shè)計(jì)Fig.13 M3D Printer Design

圖14 3D打印機(jī)的安裝Fig.14 3D printer installation

2.2.2 3D打印頭的形式

圖16 控制系統(tǒng)Fig.16 Control system

現(xiàn)場(chǎng)原位3D打印建筑的打印路徑多，遇到門窗等需要跳過路徑時(shí)，打印頭會(huì)有頻繁的啟停動(dòng)作，一些轉(zhuǎn)向及打印線路閉合重疊部分的打印精度都與打印頭有關(guān)，因此，打印頭是建筑3D打印機(jī)的重要組件。

目前，有的研究機(jī)構(gòu)采用偏心曲軸螺桿泵作為擠出頭。偏心曲軸螺桿泵為容積式轉(zhuǎn)子泵，主要工作部件是偏心螺旋體的螺桿和內(nèi)表面呈雙線螺旋面的螺桿襯套。但是，依靠偏心螺旋體和雙線螺旋面襯套的擠出裝置在建筑3D打印混凝土的擠出上存在不足：首先，偏心曲軸泵一般適合輸送砂漿材料，輸出流量偏小；其次，偏心曲軸泵靠曲軸轉(zhuǎn)子和雙線螺旋桿套緊密包裹，其擠出壓力大，在材料含有少量粗顆粒時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子磨損大，甚至卡死。

所以，為更好地在前端對(duì)打印精度進(jìn)行控制，研究設(shè)計(jì)制作了如圖17-圖18所示的打印頭，其料斗容量約60L，采用方形出料口。打印頭安裝有監(jiān)控，并與控制臺(tái)連接，可隨時(shí)監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)。打印頭擠出螺桿裝置的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成直桿螺旋葉片，定子為專門定制的直筒型柔性耐磨橡膠套，且外包鋼管套。轉(zhuǎn)子螺旋葉片邊緣和定子橡膠套之間緊密結(jié)合，在擠出打印混凝土?xí)r螺旋葉片和橡膠套之間不會(huì)出現(xiàn)擠出壓力損失，保證擠出料的均勻。螺旋葉片中心桿和橡膠套之間的間隙大小為擠出裝置可擠出的打印混凝土骨料的最大粒徑。這種簡(jiǎn)易的裝置具有定子和轉(zhuǎn)子磨損小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低的特點(diǎn)，同時(shí)，還能擠出較大粒徑骨料的3D打印混凝土。如圖19，通過打印頭的材料出料控制，打印的墻體紋理整齊，出料均勻，具有很好的整體平整度。

圖17 3D打印頭Fig.17 3D printer squeeze head

圖18 打印頭的螺桿裝置Fig.18 Screw device of printer head

圖19 打印的墻體效果Fig.19 Printed wall surface

2.2.3 建筑模型的路徑轉(zhuǎn)化方案

3D打印是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)的快速成型技術(shù)。目前，3D打印從數(shù)字模型向打印路徑的轉(zhuǎn)化方式主要通過Cura、Simplify等切片軟件將三維模型切片處理轉(zhuǎn)化為G-code等打印控制軟件能識(shí)別的數(shù)據(jù)包，然后導(dǎo)入打印機(jī)。這種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化適合處理復(fù)雜模型、小型模型，也比較適合塑料金屬模型打印。但是，在大型三維模型切片處理上，由于模型尺寸大、切片后數(shù)據(jù)包大，在實(shí)際打印過程中容錯(cuò)率低。因此，項(xiàng)目針對(duì)不復(fù)雜的建筑3D打印，將建筑模型豎向分解為窗下、窗底-窗頂，窗頂-墻頂三個(gè)部分。通過對(duì)模型的分割，并通過開發(fā)的簡(jiǎn)易路徑軟件編輯出各部分的二維打印路徑數(shù)據(jù)文件，把數(shù)據(jù)文件直接導(dǎo)入控制軟件即可打印施工。這種方式適于建筑3D打印，具有簡(jiǎn)單、路徑數(shù)據(jù)錯(cuò)誤少、數(shù)據(jù)文件小、打印控制軟件運(yùn)行穩(wěn)定不易出錯(cuò)的特點(diǎn)。圖20為辦公室三維模型，圖21為將編輯的簡(jiǎn)易路徑文件導(dǎo)入3D打印控制軟件。

圖20 項(xiàng)目建筑三維模型Fig.20 3D model of the project

圖21 3D打印簡(jiǎn)易路徑的導(dǎo)入控制軟件Fig.21 Import control software of two-dimensional simple print path

2.3 3D打印混凝土制備

2.3.1 3D打印混凝土體系

目前研究較多的3D打印混凝土主要分為三種類型：普通硅酸鹽水泥基3D打印混凝土、特種水泥基3D打印混凝土、工業(yè)固廢為主要原材的地質(zhì)聚合物3D打印混凝土，其中以水泥基3D打印混凝土應(yīng)用為主。由于3D打印機(jī)輸送和擠出設(shè)備的限制，粗骨料3D打印混凝土還沒有較多的實(shí)際應(yīng)用，目前仍以砂漿3D打印材料為主。

特種水泥基3D打印混凝土的主要原材料是快硬硫鋁酸鹽水泥、摻合料、細(xì)骨料、纖維、調(diào)凝外加劑及功能型外加劑，其具有凝結(jié)時(shí)間短、強(qiáng)度發(fā)展快、材料體系不收縮、養(yǎng)護(hù)要求較低等性能特點(diǎn)，目前被許多3D打印示范項(xiàng)目所應(yīng)用。其不足主要在于對(duì)環(huán)境溫度敏感、凝結(jié)硬化水化熱大、攪拌泵送設(shè)備清理困難、施工管理水平要求高，容錯(cuò)率低。普通硅酸鹽水泥基3D打印混凝土主要由普通硅酸鹽水泥、摻合料、細(xì)骨料、纖維、調(diào)凝組分、功能外加劑組成，其中調(diào)凝組分可以是快硬硫鋁酸鹽水泥、高鋁水泥、混凝土速凝劑等單種或多種選擇。普通硅酸鹽體系的3D打印混凝土相比特種水泥基體系，其優(yōu)點(diǎn)是凝結(jié)時(shí)間和工作性能控制容易、異常凝結(jié)少、材料成本較低、攪拌輸送設(shè)備易清洗，但是其明顯的缺點(diǎn)是收縮比較大、養(yǎng)護(hù)保濕要求高、不適合低溫環(huán)境使用等。

基于項(xiàng)目所在地區(qū)氣溫較高及打印混凝土性能穩(wěn)定性、攪拌輸送設(shè)備維護(hù)等考量，項(xiàng)目使用普通硅酸鹽水泥基3D打印混凝土體系。原材料選用當(dāng)?shù)豍.O42.5水泥、粒徑≤3mm的河砂、硫鋁酸鹽水泥為早強(qiáng)組分、6mm高彈高模聚丙烯纖維，外加劑有減水劑、膨脹劑、高分子聚合物、消泡劑、增稠劑、觸變劑等。3D打印混凝土的凝結(jié)時(shí)間主要由外加劑調(diào)節(jié)控制，為方便現(xiàn)場(chǎng)攪拌，制備3D打印材料所用外加劑按配比預(yù)拌裝袋。參見圖22。

圖22 預(yù)拌的3D打印混凝土外加劑Fig.22 3D printing concrete admixture

2.3.2 3D打印混凝土的配合比

混凝土配合比應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、打印性、力學(xué)性能與耐久性的要求。配合比依據(jù)三相圖結(jié)合鮑羅米公式和最佳漿骨比的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行設(shè)計(jì)，為3D打印混凝土提供一個(gè)可借鑒的取值范圍，如圖23所示。三相圖表示了強(qiáng)度和膠骨比、水膠比的基本關(guān)系。通過膠凝材料和骨料比例、水膠比的調(diào)整，并根據(jù)材料的凝結(jié)時(shí)間和其他性能要求添加外加劑，可以得到基本的打印混凝土或砂漿的配合比，在基本配合比的基礎(chǔ)上通過可行性試驗(yàn)得到生產(chǎn)配比。在配制3D打印混凝土?xí)r，配制強(qiáng)度需要考慮3D打印工藝導(dǎo)致的混凝土強(qiáng)度損失率，其應(yīng)根據(jù)3D打印工藝通過試驗(yàn)確定，無法通過試驗(yàn)確定時(shí)可取15%。

圖23 3D打印混凝土配合比設(shè)計(jì)參考三相圖Fig.23 Three-phase diagram of 3D printed concrete mix design reference

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3D打印混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，考慮3D打印強(qiáng)度損失率，按C40配制混凝土。參考配合比三相圖取值，并實(shí)際試配：水膠比0.4，膠凝材料和骨料體積比0.8（膠凝材包括P.O42.5和SAC42.5），早強(qiáng)組分硫鋁酸鹽水泥（SAC42.5）內(nèi)摻8%，CSA高性能膨脹劑外摻5%，其他功能外摻2%，纖維體積摻量0.02%。

2.3.3 3D打印混凝土的性能

目前，對(duì)3D打印混凝土性能和質(zhì)量的控制主要在于一般性能和可打印性能的評(píng)定和控制。在原位3D打印施工中，由于單層打印路徑較長(zhǎng)，打印每一循環(huán)約10min，因此材料的凝結(jié)時(shí)間根據(jù)當(dāng)?shù)厮嗾{(diào)節(jié)為1h左右，以便施工和增強(qiáng)層間粘結(jié)力。配合比中有抗裂纖維，以及硫酸鹽水泥和CSA高性能膨脹劑生成鈣礬石的膨脹組分，施工過程和硬化后全程采取自動(dòng)化噴霧養(yǎng)護(hù)，充分的養(yǎng)護(hù)條件使材料中的膨脹組分具有良好的水化，補(bǔ)償了材料收縮。此外，打印材料凝結(jié)時(shí)間短，減小了膨脹劑在材料硬化早期的膨脹作用損失，使硬化后打印混凝土體積收縮大大減小。圖24為16.5m打印墻體，無收縮開裂。對(duì)施工過程的混凝土現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，1d抗壓強(qiáng)度18.9MPa，28d達(dá)到56MPa。表1為項(xiàng)目實(shí)際配置的3D打印混凝土的性能參數(shù)。

圖24 3D打印墻體收縮和裂縫控制Fig.24 3D printed wall shrinkage and crack control

表1 3D打印混凝土的性能及檢驗(yàn)方法Tab.1 The Properties and testing methods of 3D printing concrete

2.4 3D打印建筑的施工工藝

2.4.1 3D打印材料的制備和泵送

工程需要3D打印混凝土約30方。3D打印材料制備工藝如下：1）材料制備。先加入稱量好的4/5水，將稱量備好的原材料按水泥-砂-外加劑順序投料后拌和30s，再加剩余1/5水?dāng)嚢?0s后加入纖維完成投料，繼續(xù)攪拌2min后制備完成。2）將制備完成的打印材料卸料至螺桿輸送泵中，啟動(dòng)泵機(jī)輸送至打印頭料斗。3）打印頭螺旋桿先反轉(zhuǎn)，待打印頭料斗中材料液面至2/3處即可開始打印。打印過程通過輸送泵轉(zhuǎn)速控制，輸料速度與打印頭用料速度匹配，即可連續(xù)打印施工。圖25-圖30為打印材料的制備、泵送過程。每次施工結(jié)束應(yīng)及時(shí)對(duì)打印頭、攪拌設(shè)備、輸送設(shè)備進(jìn)行徹底清洗。

圖25 現(xiàn)場(chǎng)材料攪拌裝置Fig.25 Material mixing device

圖26 現(xiàn)場(chǎng)3D打印材料的制備Fig.26 Preparation of 3D printing materials

圖27 材料的出機(jī)狀態(tài)Fig.27 Workability of the material

圖28 大功率螺桿泵Fig.28 High-power screw pump

圖29 泵管的布置Fig.29 Pump tube layout

圖30 打印頭出料Fig.30 Extrusion process

2.4.2 3D打印施工

辦公樓結(jié)構(gòu)柱和墻體采用3D打印施工，墻體內(nèi)灌注混凝土，單條打印寬度控制在50±5mm范圍內(nèi)，單層厚度25mm。門頂、窗頂按設(shè)計(jì)在布置鋁合金輕質(zhì)過梁后繼續(xù)上層打印，如圖32。每次施工前對(duì)上次施工完成的表面涂刷專用界面劑，如圖33。打印施工過程中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求布置水平拉筋，布筋時(shí)嚴(yán)禁用力擠壓墻體，鋼筋布置方式如圖34所示。

圖31 墻體3D打印施工Fig.31 Wall 3D printing

圖32 門窗過梁Fig.32 Door and window beams

圖33 新舊層間界面劑Fig.33 Interlayer interface agent

圖34 水平布筋Fig.34 Horizontal reinforcement

2.4.3 電路管線安裝

辦公室的電路管線預(yù)埋施工與3D打印施工穿插同步進(jìn)行，提前預(yù)制好管線盒，當(dāng)打印至一定高度后在打印的墻體未硬化前用鏟刀切割出暗盒安裝槽，然后安裝，暗盒之間的線管在墻體空腔內(nèi)，線管利用定位鋼筋或直接與鋼筋網(wǎng)片綁扎固定。一層至二層線管的預(yù)埋，通過空腔內(nèi)的線管確定位置，在梁的側(cè)面開槽預(yù)埋線管。參見圖35-圖37。

圖35 預(yù)制管線盒Fig.35 Electric wire tube

圖36 快速安裝Fig.36 Quick installation

圖37 管線集合的安裝Fig.37 Installation of line pipe assembly

2.4.4 打印墻體的養(yǎng)護(hù)

項(xiàng)目采用普通硅酸鹽水泥基3D打印材料，打印墻體為中空、大跨度、無施工縫結(jié)構(gòu)，因此3D打印墻體的合理養(yǎng)護(hù)非常重要。3D打印混凝土相比傳統(tǒng)混凝土在養(yǎng)護(hù)措施方式和養(yǎng)護(hù)措施介入時(shí)間方面具有很大優(yōu)勢(shì)。3D打印混凝土擠出后就具有了自立性，所以在初凝前就能夠采用人工噴霧、自動(dòng)化噴霧的方式開始超早期養(yǎng)護(hù)，有效防止由于水分蒸發(fā)散失引起的塑性階段收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)。硬化后繼續(xù)以自動(dòng)化噴霧養(yǎng)護(hù)結(jié)合局部人工輔助澆水養(yǎng)護(hù)至7天即可。

項(xiàng)目利用3D打印機(jī)的升降框架和移動(dòng)橫梁設(shè)計(jì)布置了自動(dòng)霧化噴淋系統(tǒng)，在打印過程中噴霧，既可以提高打印過程中混凝土層間的粘結(jié)力，又避免了混凝土早期失水過快引起的開裂，同時(shí)該系統(tǒng)還可以用于后期的無人養(yǎng)護(hù)，降低了人工成本，為建筑質(zhì)量提供了保障。參見圖38-圖40。

圖38 人工噴霧養(yǎng)護(hù)Fig.38 Manual spray curing

圖39 施工過程中自動(dòng)噴霧養(yǎng)護(hù)Fig.39 Automatic spray curing during the process

圖40 硬化后自動(dòng)噴霧養(yǎng)護(hù)Fig.40 Automatic curing after hardening

2.4.5 預(yù)制疊合梁板、廊柱的安裝

按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)梁采用疊合梁，樓板采用預(yù)制疊合板，走廊廊柱為3D打印輪廓，內(nèi)部灌注混凝土。疊合梁44個(gè)，疊合板24個(gè)，廊柱上下樓層各5根。

疊合梁板施工流程如圖41所示，現(xiàn)場(chǎng)施工參見圖42-圖44。

圖41 疊合梁板施工工藝流程Fig.41 Construction processes of superposed beam and slab

圖42 預(yù)制梁Fig.42 Precast beam

圖43 預(yù)制樓板Fig.43 Precast floor slab

圖44 預(yù)制梁板的吊裝Fig.44 Lifting of precast beam and slab

先3D打印完成廊柱的外模殼，每根廊柱由2根打印柱疊加組成。施工安裝廊柱鋼筋籠，鋼筋籠軸心誤差不大于±5mm，將打印完成的廊柱模殼進(jìn)行吊裝，由上至下套入鋼筋籠，置于底板或樓板，底部采用墊塊調(diào)平，吊裝完成后兩側(cè)設(shè)支撐，調(diào)整廊柱垂直度，用支撐套箍支撐，后期灌注混凝土，如圖45-圖47所示。

圖45 3D打印廊柱模Fig.45 3D printed column mold

圖46 廊柱打印模的支撐Fig.46 Support of printing mold

圖47 施工完成的廊柱Fig.47 Finished corridor pillars

2.4.6 3D打印建筑的裝飾裝修

建筑3D打印本身整體表面平整度良好，打印紋理整齊有特色，所以對(duì)完工的建筑不做表面裝修處理，留存3D打印混凝土原色和打印紋理，僅做門窗安裝、水電照明及二層鋼制樓梯和圍欄的安裝。如圖48-圖51所示。

圖48 預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)樓梯Fig.48 Steel structure stairs

圖49 二樓護(hù)欄Fig.49 Second floor guardrail

圖50 室內(nèi)照明Fig.50 Interior lighting

圖51 室內(nèi)裝修Fig.51 Interior decoration

3 總結(jié)

通過二層辦公室項(xiàng)目的原位3D打印施工，對(duì)原位3D打印應(yīng)用技術(shù)，包括工藝、材料、設(shè)備、建筑設(shè)計(jì)等進(jìn)行了積極的探索和驗(yàn)證。此原位3D打印建筑示范應(yīng)用工程具有以下技術(shù)創(chuàng)新：1）設(shè)計(jì)開發(fā)了適合現(xiàn)場(chǎng)混凝土3D打印的設(shè)備，可打印的有效范圍為長(zhǎng)16m×寬12m×高10m，可在工程現(xiàn)場(chǎng)地基基礎(chǔ)上直接打印一棟占地192m2雙層建筑的豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)。該設(shè)備具有模塊化、高精度、多功能等技術(shù)特點(diǎn)。2）開發(fā)了適合現(xiàn)場(chǎng)3D打印施工的3D打印混凝土專用添加劑。添加劑由凝結(jié)時(shí)間控制組分、抗裂組分、工作性能調(diào)節(jié)組分等多種功能組分組成。只需按建議摻量添加，將普通硅酸鹽水泥、骨料、水、添加劑四種組分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?，即可制備出性能?yōu)良的適合現(xiàn)場(chǎng)施工用3D打印混凝土。3）設(shè)計(jì)了一種打印建筑豎向鋼筋籠放置和連接方法，解決了打印混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造柱根部節(jié)點(diǎn)與基礎(chǔ)連接的施工難題。4）優(yōu)化原位3D打印混凝土的裂縫控制技術(shù)。通過添加CSA高性能膨脹劑和高彈、高模纖維等抗開裂組分，同時(shí)控制3D打印混凝土用水量和凝結(jié)時(shí)間在1h左右，使得3D打印混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展快，減小了膨脹劑在3D打印混凝土硬化早期的膨脹作用損失，使硬化后打印混凝土體積收縮大大減小。此外，施工技術(shù)方面，在施工中采用了全程自動(dòng)噴霧裝置，打印過程中和混凝土硬化過程中都能進(jìn)行混凝土保濕養(yǎng)護(hù)，減少了混凝土的干縮，材料中膨脹組分的良好水化補(bǔ)償了普通水泥的化學(xué)收縮。

隨著打印材料、打印設(shè)備、結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計(jì)方法、施工工藝和標(biāo)準(zhǔn)體系等方面研究成果的不斷豐富，建筑3D打印會(huì)擁有廣闊的應(yīng)用前景。建筑3D打印技術(shù)與現(xiàn)有施工技術(shù)是互補(bǔ)的，是對(duì)傳統(tǒng)施工技術(shù)一個(gè)強(qiáng)有力的補(bǔ)充。3D打印技術(shù)無疑將推動(dòng)制造業(yè)的數(shù)字化發(fā)展，將建筑施工與3D打印結(jié)合，促進(jìn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。