试验楼项目3D打印建筑施工技术研究

13D打印技术在建筑领域的应用概况

3D打印技术是一种通过连续的物理层叠加、逐层增加材料来实现三维实体的先进制造技术，具有数字化、网络化、个性化和定制化的特点。3D打印技术和普通打印过程非常相似，可以预先在计算机设计好产品的信息，再交由机器打印，不同之处在于，普通油墨变成了塑料、纤维、粉末等材料，通过巨型喷嘴喷出，层层叠加形成一个实体产品。3D打印技术在航空航天、汽车、医疗器械和模具制造等行业运用成熟，并逐步运用于建筑领域。3D打印建筑尚处于摸索阶段，美国南加州大学工业与系统工程教授比洛克•霍什内维斯提出轮廓工艺3D打印技术，设计的3D打印机像一台悬停于建筑物之上的桥式起重机，两边是轨道，中间的横梁是打印头。该工艺按照预先设计的CAD图纸，通过计算机操控巨型喷嘴进行x轴和y轴的打印工作，逐层打印出墙壁和隔间等，最后完成整栋房子的基本构架，最后由人工完成水电、供热管道、门窗和吊顶等的安装(见图1)。在国内，上海盈创建筑科技有限公司自主研发了3D打印设备、打印油墨和连续打印技术，利用建筑物废料加上水泥、纤维、有机黏合剂等制作的“油墨”进行逐层喷射、循环打印、快速凝固成型，从而打印房屋。盈创公司运用该技术在上海青浦打印出了10栋实体房屋(见图2)，该批建筑所用材料来自于建筑废料，全过程由计算机操作，大大降低了建筑成本。青浦3D打印房屋的建造是3D打印建筑技术向前迈出的重要一步，但是由于目前3D打印建筑材料强度较低，打印质量不稳定，墙体脆性较大，易开裂等缺陷，在一定程度上限制了其打印高度，目前国内外打印的建筑大多为1～2层。为研究3D打印建筑技术，并保证其安全性，推广3D打印建筑的应用，同济大学、中国建筑第八工程局有限公司和盈创公司开展了一系列的3D打印建筑材料和结构体系的研发，并在苏州建造实体建筑。本文首先介绍该3D打印配筋砌体试验楼项目的概况和设计方案，然后对施工中遇到的难点做简要分析总结，为下一步3D打印实体建筑的深化设计和施工提供参考。

2工程概况

3D打印配筋砌体试验楼项目位于苏州市工业园区，试验楼占地面积150m2，底层为14.2m×10.1m的规则矩形，筏板基础，按12层住宅楼研发设计，实际打印高度15.3m，层高为2.8m，地上共5层，地下1层，建成后如图3所示。3D打印多层实体建筑在国内尚属首例，没有特定的设计规范可以选用，作为科研尝试，设计人员在参照了现有的结构体系和相关设计规范后，提出了创新结构体系———3D打印配筋砌体剪力墙结构。该试验楼在3D打印墙体内布置竖向和水平分布钢筋，浇筑柱芯混凝土;楼面板为100mm厚、双层双向配筋的现浇混凝土板;每层设置与楼板整浇的现浇混凝土圈梁，兼作窗洞口处过梁。该体系竖向荷载由楼板传递给墙体，水平荷载通过楼板按各墙体刚度分配给墙体，再由墙体传递给基础，实现墙体和楼面板的共同受力。

3工程特点和难点

3D打印多层实体建筑没有先例可循，所有的纵横墙体在工厂打印后，运送到现场进行拼装。因此如何划分墙体构件、如何保证墙体自身的强度和刚度、如何实现墙体与楼板的可靠连接是需要重点解决的问题和难点。1)为了解决最初墙体自身刚度不足、墙身易开裂等问题，深化设计时在原来中空的墙体内部增设水平向桁架，且墙体在打印时沿高度方向增设水平钢筋网片。施工时在房屋转角部位、主要受力部位和局部需加强部位均增设芯柱，布竖向插筋，孔洞内浇筑C20柱芯混凝土。2)为避免墙体出现水平向拼接缝影响结构的整体性，每层墙体在高度方向一次打印成型。预留的竖向拼接缝避开房屋转角部位、主要受力部位和局部需加强部位，每层墙体按平面位置和尺寸细分到27种构件块型，并按一定顺序编好号(见图4)。3)为增强3D打印墙体与圈梁、楼板的连接，设计提出纵向贯通配筋，施工时在墙体孔洞内插入竖向钢筋，并与圈梁钢筋绑扎固定。竖向钢筋应与基础或基础梁中的预埋钢筋连接，上下层的钢筋可在楼板面上搭接，搭接长度≥40d。墙体构件竖向孔洞内灌注混凝土，使混凝土灌满墙体构件内所有孔隙，达到孔洞内的现浇混凝土与钢筋共同受力，使其结构受力机理类同钢筋混凝土剪力墙体系。4)由于墙体在每层竖向一次打印成型，再往墙体孔洞内浇筑灌芯混凝土。墙体高2.8m，孔洞直径过小，施工中振捣难度大，最终选用自密实混凝土进行墙体灌芯浇筑。

4主要施工方法

1)施工准备施工准备中很重要的一项内容就是编制墙体平、立面排块图，不仅需要根据设计图确定各墙体构件的尺寸和配筋，且在编制时宜与水电管线专业人员共同商定。墙体排块图编制好后，交付3D打印机一次打印，墙体做好编号并运至施工现场堆放整齐，堆放场地应坚实、平整、干燥，保证墙体构件堆放平稳。2)基层表面清理墙体吊装前，应先进行基层表面的清理工作，清除灰渣、碎石等杂物，墙体下部楼面需凿毛，校核预留钢筋的位置，设统一标高控制线，标明圈梁、过梁等的尺寸标高。安装3D打印墙体构件时，必须坐浆垫平，铺浆厚度应≥20mm。3)墙体构件吊装、定位、临时固定墙体在起吊和搬运时，必须平稳以免损坏墙身，严禁在场地直接拖拉墙体。墙体构件按施工图纸及编号吊装到指定位置，让底部的预留钢筋穿过墙体构件孔洞，并做好墙体构件的临时固定。实时复核墙体的垂直度、墙身长度;吊装完每一楼层墙体后，校核墙体的轴线尺寸和标高;允许范围内的轴线及标高的偏差，可在楼板面上予以校正。施工中发现有明显打印误差的墙体，应及时复核校正，必要时重新打印墙体构件，避免现场切割墙体或填补。4)模板支设，绑扎钢筋等支设圈梁、过梁、楼板的模板，施工中应防止杂物散落在墙体孔洞内。绑扎钢筋并按设计插入竖向钢筋，矫正竖向插筋的位置并与圈梁钢筋笼绑扎固定。在墙体拼接缝两侧支设模板，模板必须紧贴墙面，并将拼接缝封堵严密，支撑牢固，避免灌芯混凝土浇筑时出现爆浆的情况。为避免浇筑时污染墙面，灌芯混凝土浇筑前，浇筑部位墙面用塑料布覆盖。5)混凝土浇筑墙体柱芯混凝土浇筑时，由浇筑工人控制下料、逐孔浇筑，柱芯所用混凝土为自密实混凝土，每次浇筑高度控制在半个楼层高(1.4m)。浇筑至墙体顶部时，预留50mm高度和圈梁混凝土一起浇筑，以加强墙体构件与混凝土圈梁的连接。圈梁、过梁和楼板混凝土浇筑时，混凝土坍落度宜＞200mm。6)清理墙体表面拆模后对墙面进行必要的清理，凿除墙体拼接缝处外溢的砂浆并做修补。7)检查验收参照《砌体结构工程施工质量验收规范》GB50203—2011中配筋砌体工程的相关规定对试验楼项目进行验收，该3D打印配筋砌体试验楼符合相关验收标准。

53D打印实体建筑需注意的问题

1)3D打印墙体构件施工过程中，需要指定专人负责墙体的进场、堆放及吊装定位时的核准，以保证墙体对号入座并能及时纠偏。将墙体编号、对应位置、标高和墙身垂直度作为核对的基本内容，同时，在墙体构件吊装和定位时要充分注意预留钢筋的位置，保证预留钢筋与构件孔洞一一对应。2)施工中发现部分3D打印墙体构件存在明显的打印误差，出现墙体截面高低不平整、墙体过长或过短需要现场切割或填缝等问题，造成施工中上下层墙体定位困难、混凝土浇筑时漏浆等现象的发生。尤其需要注意的是楼梯间两侧墙体与混凝土圈梁的位置关系，在上下层墙体构件出现打印误差时，需要及时纠正，保证墙体构件与混凝土圈梁、板外缘在一个竖向平面内。墙体构件出现微小偏差时，施工中可以采取微调或修补的措施，若偏差较大，则需要根据现场情况修改上层墙体构件尺寸，重新打印。3)3D打印墙体时根据建筑设计图纸及结构设计图纸，预留了门窗洞口，但是未考虑其他专业孔洞尺寸，施工中发现其他专业开孔洞时极易造成开洞面积过大，墙体破损，后期需要修补，费时费工且影响墙体美观。建议其他专业孔洞尺寸大于600mm×600mm的3D打印墙体时应预留孔洞，介于600mm×600mm与300mm×300mm之间的在墙体灌芯混凝土浇筑前先切割孔洞，洞内填塞塑料泡沫块防止浇筑时漏浆，小于300mm×300mm的孔洞及线槽可由专业施工队伍根据操作规程进行开凿。

6结语

3D打印建筑材料可以采用建筑废料进行加工，打印过程不产生建筑垃圾，可实现个性化制作、一次性成型、工期短、经济环保等目标。但3D打印实体建筑仍处于起步阶段，面临很多瓶颈和挑战。打印设备的研发、3D打印建筑材料的改进与完善、适用于3D打印技术的建筑结构体系的研发、施工关键技术的研究、验收标准等都是尚待探索和解决的问题。苏州试验楼在参照国内现有规范、标准，结合现有3D打印技术提出的3D打印配筋砌体剪力墙结构在一定程度上解决了结构体系适用性的问题，施工过程墙体构件的划分、墙体与楼面板的连接处理等技术的研究都给3D打印实体建筑积累了宝贵的经验，该试验楼的成功建造突破了3D打印建筑技术只能建设3层以下房屋的瓶颈，引领着3D打印建筑向高层、超高层攻关。

作者：王丽萍1 徐蓉1 苗冬梅2 金钢2 葛杰2 白洁2 单位：1.同济大学土木工程学院 2.中国建筑第八工程局有限公司工程研究院