【摘要】大懸挑結(jié)構(gòu)底面3D打印外墻板的安裝施工技術(shù)的創(chuàng)新能夠提升建筑裝飾的精度與效率。當(dāng)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(shù)進(jìn)行主結(jié)構(gòu)三維掃描，結(jié)合工廠化加工與現(xiàn)場快速安裝技術(shù)，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(jié)構(gòu)、模塊化單元劃分與轉(zhuǎn)運(yùn)、現(xiàn)場安全施工等。研究結(jié)果表明，該技術(shù)的應(yīng)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(yīng)用前景和社會價值。

【關(guān)鍵詞】懸挑結(jié)構(gòu)；3D打印板；再生材料；零廢料

【中圖分類號】TU741 【文獻(xiàn)標(biāo)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(shí)現(xiàn)綠色建造與降低成本成為焦點(diǎn)。本文研究的大懸挑結(jié)構(gòu)底面3D打印外墻板安裝施工技術(shù)，是此背景下的創(chuàng)新實(shí)踐。該技術(shù)結(jié)合3D打印與全域感知技術(shù)，實(shí)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(jié)構(gòu)外墻裝飾的施工技術(shù)，還為推動綠色建筑、智能制造在建筑行業(yè)的應(yīng)用提供了重要參考，具有深遠(yuǎn)意義和廣泛應(yīng)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(xiàng)目1號地設(shè)計施工總承包四標(biāo)段項(xiàng)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(xiàng)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(shè)計方案進(jìn)行細(xì)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(shù)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(jié)構(gòu)桁架的構(gòu)造。其次，通過原結(jié)構(gòu)預(yù)埋金屬板的位置，確定了懸挑龍骨鋼結(jié)構(gòu)的安裝位置。最后，通過使用研發(fā)的提升設(shè)備與主結(jié)構(gòu)的連接裝置，方便、快捷地將雙曲面單元板塊與鋼結(jié)構(gòu)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(diǎn)

3.1 施工工藝流程

施工工藝流程為主結(jié)構(gòu)三維掃描→三維建?！牧喜少彙S加工→地面組裝→吊籃等臨時設(shè)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(jié)構(gòu)三維掃描的操作要點(diǎn)

工程主結(jié)構(gòu)三維掃描采用全域感知技術(shù)，其主要內(nèi)容和要求如下。

3.2.1 全域感知技術(shù)的服務(wù)內(nèi)容

①3D打印板材安裝前對基層結(jié)構(gòu)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(jìn)行一次全局三維數(shù)字模型重建，重建點(diǎn)距密度30 mm，并與設(shè)計模型進(jìn)行比對，記錄安裝進(jìn)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(shè)計模型進(jìn)行比對，反饋誤差數(shù)據(jù)[2]。

3.2.2 全域感知策略

項(xiàng)目中利用高精度測量機(jī)器人（精度達(dá)到0.5 s，0.6+1 ppm）進(jìn)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(dá)到1 s，1+1.5 ppm）高效完成三維掃描任務(wù)。在測量流程上，遵循“一次布網(wǎng)、一次測量”的原則，確?？刂泣c(diǎn)緊密圍繞目標(biāo)測量位置布設(shè)，各級控制網(wǎng)與局部測量同步進(jìn)行。控制網(wǎng)的布設(shè)靈活適應(yīng)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(dá)到最佳協(xié)調(diào)，從而全面、準(zhǔn)確地完成測量工作。

3.2.3 主要儀器設(shè)備

結(jié)合本項(xiàng)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(jī)器人、TrimbleSX12三維激光掃描儀等。所有儀器設(shè)備在使用前進(jìn)行嚴(yán)格檢查，確保在檢定的有效期內(nèi)，各項(xiàng)參數(shù)均在允許范圍內(nèi)。

3.3 基層結(jié)構(gòu)三維重建的操作要點(diǎn)

全域感知技術(shù)將對項(xiàng)目的主體建筑和裙房進(jìn)行基層結(jié)構(gòu)的三維重建[3]。這個過程包括對桁架結(jié)構(gòu)的復(fù)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(zhǔn)確性和高效性。

計劃采用架站式掃描儀設(shè)備進(jìn)行掃描，實(shí)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(zhǔn)備階段

作業(yè)前對儀器進(jìn)行外觀檢查、通電檢查和相機(jī)檢查，并符合下列規(guī)定：①儀器外觀應(yīng)無損傷，激光鏡頭應(yīng)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(yīng)滿足作業(yè)要求；③當(dāng)采用外置相機(jī)時，應(yīng)進(jìn)行相機(jī)主距、主點(diǎn)距離、畸變參數(shù)、安裝姿態(tài)等參數(shù)的校準(zhǔn)。

3.3.2 數(shù)據(jù)采集階段。

控制網(wǎng)布設(shè)需考慮地形、目標(biāo)物分布和精度要求，選擇適當(dāng)?shù)燃墸鶆蚍植疾⒕幪柨刂泣c(diǎn)，全面覆蓋掃描區(qū)域，采用平面標(biāo)靶。導(dǎo)線測量、GNSS測量和水準(zhǔn)測量應(yīng)符合國家現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。掃描站和標(biāo)靶布設(shè)需符合規(guī)范，點(diǎn)云和紋理數(shù)據(jù)采集需達(dá)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(yàn)數(shù)據(jù)，異常時補(bǔ)充掃描。數(shù)據(jù)處理包括點(diǎn)云配準(zhǔn)、降噪抽稀、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等。最后，與設(shè)計模型比對，修正超差基層結(jié)構(gòu)，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(diǎn)

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(jìn)場數(shù)量，盡量整體進(jìn)場，加快安裝進(jìn)度。考慮到運(yùn)輸方便，鋼龍骨單元寬度不應(yīng)超過2 m，長度不應(yīng)超過8.4 m。鋼龍骨在拱處增加臨時加強(qiáng)支撐，保證整體剛度。其余鋼龍骨散件進(jìn)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(gòu)件的分段方案，利用精度控制點(diǎn)，制作拼裝以及現(xiàn)場施工所用的胎架，使構(gòu)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(zhuǎn)，以適應(yīng)各管的方向。

3.4.3 設(shè)備選擇

根據(jù)構(gòu)件所在施工段及位置確定以下機(jī)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(gòu)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(jī)械組合進(jìn)行施工，其中25 t汽車吊主要用來進(jìn)行卸車，臨工H1840型叉裝車主要用來在汽車吊無法進(jìn)入的地下室頂板處對龍骨單元翻轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)運(yùn)，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(zhuǎn)，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(jìn)深等情況，采用機(jī)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(jìn)行散件安裝，采用臨工H1840型叉裝車的作叉車用于打包的構(gòu)件的運(yùn)輸及轉(zhuǎn)運(yùn)。

3.4.4 構(gòu)件轉(zhuǎn)運(yùn)方案

現(xiàn)場采取的轉(zhuǎn)運(yùn)方案為吊車/叉裝車+小型平板車組合的轉(zhuǎn)運(yùn)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(jìn)場高空組裝的方式，只需轉(zhuǎn)運(yùn)構(gòu)件而不是龍骨單元[5]。構(gòu)件堆放區(qū)、龍骨單元組裝區(qū)位于施工段C的東側(cè)、施工段A的西側(cè)，其中施工段A、C區(qū)通過吊車/叉裝車+小型貨車的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)構(gòu)件，施工段B、D區(qū)的構(gòu)件盡量在構(gòu)件進(jìn)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(gòu)件堆放區(qū)，通過吊車/叉裝車+小型平板車組合的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)構(gòu)件。

3.4.5 施工安全設(shè)施（鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)連接采用兩塊厚度為12 mm鋼板與主結(jié)構(gòu)連接，作業(yè)時安全帶獨(dú)立懸掛于主結(jié)構(gòu)的安全繩上。在通向主結(jié)構(gòu)梁兩側(cè)設(shè)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(yù)起拱

按規(guī)范及設(shè)計要求，施工預(yù)起拱數(shù)值1/600，按鋼龍骨單元長度計算預(yù)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(yù)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(gòu)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(gòu)件三維掃描重建與誤差檢查

3D打印構(gòu)件在出廠前，對所有板材進(jìn)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(yīng)。將三維掃描模型與原生產(chǎn)模型進(jìn)行比對復(fù)核，檢測誤差。

1）三維掃描設(shè)備、校準(zhǔn)、測量、建模過程皆應(yīng)符合JJF 1951—2021《基于結(jié)構(gòu)光掃描的光學(xué)三維測量系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》等現(xiàn)行國際、國家、行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的規(guī)定及設(shè)計要求。

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

3）對于三維掃描模型與對應(yīng)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(shè)定了相應(yīng)的允許偏差范圍：當(dāng)lmax≤600 mm時，平均偏差≤2.0 mm，最大偏差≤4.0 mm；當(dāng)600 mm＜lmax≤2 000 mm時，平均偏差≤5.0 mm，最大偏差≤10.0 mm ；當(dāng)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(dǎo)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(yàn)證預(yù)拼裝的效果、確認(rèn)安裝操作所需的空間，并檢查與其他構(gòu)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(dǎo)出3D打印構(gòu)件材料的定位數(shù)據(jù)以及對應(yīng)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(jìn)行精確的點(diǎn)位定位作業(yè)。具體導(dǎo)出的信息包含每個板材的唯一編號、多個定位點(diǎn)的標(biāo)識（如A、B、C、D等），以及這些定位點(diǎn)在三維空間中的坐標(biāo)值（雖然表格中未給出具體數(shù)值，但應(yīng)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(zhǔn)的參考依據(jù)。

3.4.10 現(xiàn)場打點(diǎn)定位安裝

3D打印構(gòu)件安裝前應(yīng)對鋼龍骨進(jìn)行測量放線，并對安裝部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查。對應(yīng)編號的板材吊裝就位后，經(jīng)定位測量，應(yīng)確定定位點(diǎn)的三維坐標(biāo)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(rèn)與圖紙一致，以保證橫龍骨與打印板之間相對位置準(zhǔn)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(jìn)行焊接。

3.4.12 后裝帶復(fù)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(fù)核。對比偏差滿足安裝偏差要求時，將應(yīng)用編號的3D打印構(gòu)件按原計劃安裝。

對比偏差不滿足安裝要求時，應(yīng)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(jìn)行三維掃描重建檢查誤差及安裝模擬。模擬無誤后導(dǎo)出新的定位點(diǎn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場使用新生產(chǎn)的板材與定位數(shù)據(jù)進(jìn)行安裝。

4 結(jié)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(jì)效益顯著，且可操作性強(qiáng)、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(dá)25年，具有推廣價值和社會效益。在雄安工程項(xiàng)目中，通過優(yōu)化創(chuàng)新，總結(jié)了大懸挑結(jié)構(gòu)底面3D打印外墻板安裝施工方法，該工藝可推廣性強(qiáng)，應(yīng)用前景廣闊。

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