3D打印建筑工程结构设计与施工技术--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

3D打印建筑工程结构设计与施工技术

发表时间：2021/8/9 来源：《时代建筑》2021年6期3月下作者：王丹辉

[导读] 3D建筑打印技术是近年来新兴的以轮廓工艺为基础的建筑构筑技术，相较于传统建筑施工方式，具有环保、节能、高效、低成本、施工安全等优势，具有广阔的发展前景。与传统施工方式不同，建筑3D打印实施过程是通过打印控制系统，按照一定设计路径将油墨材料喷出，以此成型构筑建筑的主体结构。

1301851992101***14 王丹辉

摘要：3D建筑打印技术是近年来新兴的以轮廓工艺为基础的建筑构筑技术，相较于传统建筑施工方式，具有环保、节能、高效、低成本、施工安全等优势，具有广阔的发展前景。与传统施工方式不同，建筑3D打印实施过程是通过打印控制系统，按照一定设计路径将油墨材料喷出，以此成型构筑建筑的主体结构。本文介绍基于3D打印的墙体结构方案及技术处理措施，其具有打印基础稳固性高、与墙体结合性好的优势。
关键词：3D打印；建筑；结构
        引言
        在建筑结构设计阶段，必须秉持设计优化的理念，才能确保工作的顺利进行，既可以确保房屋具备高质量，还能切实提升房屋安全性与美观度。为了优化结构设计阶段，达到提升建筑结构质量水平的目的，必须切实分析设计状况，采取安全、先进的技术，为优化升级设计工作提供帮助。
        1建筑结构设计简介
        1.1建筑结构的种类
        建筑结构设计最先需考虑的就是建筑结构的种类。建筑结构是复杂的，在设计期间，如何提升结构设计时的效率成为一个重要问题。而结构分类在一定程度上帮助了设计者。建筑结构大致分成下列几种类别：钢筋混凝土框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、框架筒体结构和筒体结构。按照建筑物使用材料类型的不同，可分为砖木结构、砖混结构、钢筋混凝土结构和钢结构4大类型。
        1.2建筑结构设计中要求
建筑结构设计是指在建筑物建造之前，设计者按照建设任务，把施工过程和使用过程中所存在的或可能发生的问题，事先作好通盘设想，拟订好解决这些问题的办法、方案，用图纸和文件表达。建筑结构设计过程中，几点要求明确如下。（1）在建筑结构设计时，建筑设计的相关人员要结合具体的施工案例和标准对所设计的建筑进行精密的计算，比如结构的承载力等。（2）由于我国某些地区是地震多发带，抗震性的设计必不可少，相关设计人员在设计中，针对不同的区域制定不同的建筑结构的抗震标准，确保最后的抗震性能符合国家对于建筑设计的相关规定。
        2设计方案
        2.1基础设计
        整个打印基础宽度为800mm，打印形状为“凹”字样式，打印机采用70mm打印喷头，由里向外连续打印12圈完成。打印基础的高度为局部200mm，两边侧140mm宽度处高度为300mm。
        2.2圈梁设计
        圈梁采用现浇混凝土方式完成，打印基础上设置400mm×510mm整体吊装圈梁，两部分之间采用3D打印部分的凹槽连接，同时采用表面凿毛法使其形成更紧密的连接。而后空隙部分采用填充细石混凝土，加强了两部分的连接。设置圈梁的目的在于防止地基的不均匀沉降或较大振动荷载等对房屋的不利影响，以增强房屋的整体刚度及墙体的稳定性。考虑到后期吊装和移动情况，此圈梁内预埋四根φ100mm×6mm钢套管，平均分布。
        2.3墙体及门窗设计
        圈梁上打印墙体的部分采用同样方式完成两部分的结合。打印过程中在墙体高度为573mm、861mm、1347mm、1833mm和2463mm处分别水平布设横向钢筋，整个墙体打印中只需局部添加水平的横向钢筋，规格为Φ12mm。钢筋添加位置在门窗附近，防止后期结构受力造成裂缝。门窗采用临时模板，完成后用15mm厚砂浆覆面。墙体铺设Φ12mm横向钢筋，门、窗边铺设Φ6mm竖向钢筋，用15mm厚的砂浆涂抹，加强墙体和门窗的一体性。
        3建筑工程结构设计和施工管理存在的问题
        3.1建筑工程结构设计存在的问题
        3.1.1偷工减料
        建筑工程结构设计时，在工程的安全性可靠性得到保证的前提下，合理合法地节省材料是允许的。节省材料会给企业带来一定的利润，但在这种利益的驱使下，有些企业就会盲目地追求利益，从而使用不合格的材料或者是减少原材料的使用。

期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆

        3.1.2自然条件
        建筑工程结构设计时，自然条件是很重要的一个因素。面对冰雹、雨水、强风等不同的自然环境时，所采取的结构设计都是不一样的。如果没有事先确定自然条件，设计的结构就有可能不适用，施工时就有可能出现施工质量问题。
        3.2建筑工程施工管理的问题
        建筑工程施工管理的问题中最突出的莫过于人员管理的问题了。尤其是施工人员的素质问题，这些施工管理人员并不了解施工技术或者是对施工技术不够熟悉，没有足够的经验或者是专业性不强，另外还有这些施工管理人员有很大一部分不了解管理学，根本就没有相应的管理才能，在施工中没有管理意识，这就导致了施工过程中管理的不稳定性，容易引发严重的施工事故。在施工过程中除了施工人员的问题，另外就是先进的管理经验没有得到学习借鉴，在施工过程中管理模式混乱，没有一个系统性思维以保证施工安全准确地进行。施工过程中的直接管理固然重要，但是监管机制也有其存在的必要性。施工时出现事故，也有很重要的一部分原因是监管不力。现在的监管部门存在监管思想陈旧，相应的监管条例不合理，或者监管部门不够重视而导致管理力度缺乏等问题，从而无法保证施工进程及整个建筑工程的工程质量。
        4施工阶段方案
        4.1施工总流程
        在3D打印建筑过程中，建筑设计的同时进行预准备阶段，包括材料、设备进场就位、地面硬化等，墙体打印过程包括程序路径设计、墙体打印、洞口预留、预留预埋件等，后期包括墙体的养护等。具体流程如下：施工准备→水、电、道路布设→材料进场、场地平整→地面硬化→建筑物放线、定位→打印设备就位→机械臂定位→打印程序编制→基础钢筋、模板、混凝土→墙体打印、钢筋预埋、门窗洞口预留→过梁模板安装→打印过梁上部墙体→埋设预埋件→墙体养护→屋顶安装→装饰、机电安装。
        4.2打印工序
        打印前需对基体进行找平处理，基体表面高差≤±10mm，确保打印厚度满足设计要求。打印过程中随时观察打印出料端的储料量、打印材料的质量、打印速度及打印成型的质量情况。打印时，每打印完一层进行构件宽度和打印层厚度的检测，验证实际打印的宽度、厚度与设定值之间的误差，当误差大于5mm时进行相应调整。经现场实际打印检测，打印气温在10~20°C时，每天打印的层数约20层，每层厚度控制在20mm。
        4.3总施工过程的注意要点
        1）打印材料属于速凝材料，打印层次明显，层次间承载力较低，打印时同一竖向位置上下打印时间不宜超过材料的初凝时间，不得超过终凝时间，同一水平位置相邻横向打印时间不得超过材料的初凝时间。2）对打印时需要配置钢筋处，需要提前加工制作钢筋，非整根钢筋搭接时需要满足搭接要求，不得后置钢筋。3）打印材料砂和尾矿的选用需满足规范对级配、颗粒强度及含泥量的要求。4）墙体打印完成后7天方可施工屋面及相应的屋面支持构件。5）建筑物和机械臂定位、放线准确，在编制打印程序时，需观测是否存在影响打印的障碍物、打印完成的墙体与打印设备是否相互影响。6）建筑物预留吊装孔的位置和孔径需满足吊装要求，孔径易于吊装和操作、利于运输。7）打印过程中随时观察、检测拌合物的流动度，确保打印流畅，出料均匀不流淌，不易堵管。8）打印过程中随时观察、检测打印完成产品的位置、高程、垂直度、截面尺寸、平整度、观感质量，及时处理问题。
        结束语
        采用本文的打印方法打印的墙体既可保证建筑墙体的承重与围护的合一性，又可保证打印墙体的节能、美观等。建筑行业采用3D打印技术构建工业用房或民用住宅，不仅智能、环保、安全、快捷，且成本低廉，可实现就地取材，具有广阔发展前景。随着人类居住文化的改变及环保理念的提升，3D打印建筑形式会成为未来发展的一种趋势。
参考文献
[1]江洪,康学萍.3D打印技术的发展分析[J].新材料产业,2013(10):30-35.
[2]杨铭,龙倩.谈我国3D打印建筑的发展前景[J].山西建筑,2015(15):19-20.
[3]李志国,陈颖,简凡捷.3D打印建筑材料相关概念辨析[J].天津建设科技,2014(03):8-12.
[4]欧刚.3D打印混凝土技术的建筑工程应用[J].低碳世界,2017(14):154-155.
[5]王丽萍,徐蓉,苗冬梅,等.苏州某试验楼项目3D打印实体建筑施工技术研究[J].施工技术,2015,44(10):89-91,100.