混凝土3D打印结构设计及施工技术|建研华测第20文

1 引言

近年来，3D打印技术在机械制造、航空、医疗等领域得到广泛的应用，并且逐渐拓展至建筑领域。3D打印技术能够有效解决建筑传统施工中存在的手工作业多、模板用量大、复杂造型难以实现等问题，并且在建筑个性化设计、智能化建造等方面具有显著优势。

“OFFICE OF THE FUTURE”项目是全球首个采用3D打印技术完成的高档办公室项目，该项目作为阿联酋总理办公室，其设计标准及施工标准都极其严格。业主方——阿联酋总经理办公室，聘请了国际知名设计公司Gensler（建筑）和Thornton Tomasetti（结构），工程总承包为中建中东有限公司，共同完成了该项创新工程，其中墙体构件打印分包商为上海盈创公司。该项目建筑面积：250平方米, 工期：3D打印17天，吊装2天。

图 1 迪拜“OFFICE OF THE FUTURE”项目

设计上，Thornton Tomasetti设计院根据3D打印材料性能，创新采用预应力钢筋结合桁架式钢筋网片技术，保证了7米跨的结构强度要求。施工上采用250t汽车吊进行7米尺寸3D打印构件吊装、拼接，在2天内高质量的完成了所有构件安装。工程竣工后，得到了阿联酋总理的高度赞扬。迄今为止，3D打印构件无任何裂缝，工程质量安全可靠。

2 构件的结构设计

根据 3D 打印建筑的外形，合理确定采用的结构体系，通过在结构中合理设置钢筋的位置、设计结构与地基的连接、合理施加预应力等方式，完成整个 3D 打印建筑的结构设计。

传统结构设计，一般是根据建筑外形，确定建筑的结构体系和结构构件布置方案，确定结构承受的荷载大小，通过对结构模型进行受力计算，确定结构构件的截面形状和配筋方式。3D打印建筑目前还没有系统的结构设计方法，只能依据建筑外形，根据基本的结构受力概念，合理布置结构构件。

图2 3D打印结构示意图

针对迪拜3D打印建筑，如图2所示，建筑形状为闭合的不规则四边形。考虑到该建筑的特殊外形特点，确定了3D打印结构构件的基本形状，采用了分块打印结构构件后组装的施工方法。3D打印结构构件采用桁架结构架体，架体的截面尺寸综合考虑了3D打印设备、材料性能和结构受力计算。为了增强打印构件的强度和抗拉性能，考虑在打印结构中加入钢筋，但是3D打印工艺决定了无法像普通钢筋混凝土结构一样配置钢筋，因此特别设计了与打印桁架架体位置吻合的钢筋网片，3D打印结构架体中的顶部钢筋和底部钢筋采用直径为12mm的钢筋，与桁架腹杆位置一致的钢筋采用直径为10mm的钢筋。其中，腹杆钢筋与顶部、底部钢筋采用焊接的连接方式。综合考虑钢筋网的制作和施工，将每一层的闭合钢筋网分为6个区域，分别为4个角部区域、顶部区域、底部区域。区域之间的直筋采用钢筋连接器进行连接，区域之间的弯折钢筋采用搭接的连接方式。

图3 3D打印结构与地基基础的连接

3D打印结构与地基基础的连接如图3所示，每片3D打印架体采用两个支座进行连接，打印架体与支座之间采用直径16mm的钢棒，抵抗水平剪力的作用，竖向荷载则直接传递给基础。3D打印架体与基础之间连接固定后，在孔洞中后浇打印材料，完成固定。

3D打印结构采用堆叠工艺，形成的结构构件具有很好的抗压能力，作为抗压构件能够达到使用要求。但是，当3D打印结构构件作为水平结构时，为了提高构件的抗拉性能，考虑在3D打印过程中配置钢筋。对于跨度较大的3D打印水平结构构件，为了提高跨度较大3D打印结构的受力性能，除了在打印过程中配置钢筋外，通过合理设置后张预应力钢筋，从而极大地提高了大跨度3D打印结构的抗拉性能。将后张法预应力施工工艺与3D打印架体施工工艺完美结合，在完成3D打印结构后，利用张拉预应力筋形成的预应力，有效提高了大跨度3D打印架体的抗拉性能，预应力钢筋与3D打印结构的连接细节如图4所示。

图 4 后张预应力钢筋与3D打印结构的细节示意图

3D打印结构部品构件采用的材料为水泥基砂浆。该种材料抗拉强度相比抗压强度低，约为抗压强度的1/10。而3D打印结构构件在实际工程中不可避免的要经历各种荷载工况，并且大部分荷载工况都会导致构件承受拉力或者弯矩，因此3D打印材料的抗拉强度成为限制3D打印建筑推广的一个主要限制因素。解决此问题的方法一是：采用纤维增强水泥基砂浆，可以解决由于配筋困难造成打印材料的抗拉强度不足问题；二是采用适合于打印工艺的配筋形式。

例如：钢筋桁架配筋，见图5和正交预应力配筋体系，见图6。

图 5 桁架钢筋网片配筋示意图

图6 正交桁架钢筋网片的预应力筋示意图

纵向正交预应力钢筋在连接横向钢筋桁架网片的同时，也提供了纵向的抗拉承载力，确保不会由于纵向受力而产生横向裂缝。

该3D打印是将房屋在竖向高度的1/2处，采用钢筋锚栓连接，见图7。该连接方式主要考虑到房屋受力特点，即在房屋1/2高度处为反弯点，弯矩为零，只存在剪力。因此在此处断开，不需要考虑弯矩传递，只需要考虑抗剪剪力传力。因此采用钢筋销栓作用抗剪即可满足设计要求。

图7 钢筋销栓作用抗剪连接形式

3 构件制作

整个项目由34片U型3D打印构件组成，打印过程中打印宽度50mm，截面形式为带肋，每片构件打印高度2100mm，跨度有8890mm和7740mm，打印中每打印200m高度时放置桁架式钢筋网片。

图8 构件打印及布筋示意图

为了便于运输及安装，打印过程中在构件中预埋吊件，吊件按设计图纸预埋，吊点位置如图9所示。吊环采用PEIKKO公司生产的TLL30吊环，吊重4t。

图9 吊点平面布置图

图10 TLL30吊环和预埋件

TLL30吊点的预埋件采用WAL30*450埋件，预埋件与T10的U型钢筋一同埋入构件中，埋深1m，并构件连接，灌浆锚固。起吊前将TLL30吊环拧入预埋件螺纹口中。

图11 TLL30吊点平面图

图12 TLL30吊点剖面图

构件打印完后按设计要求堆放，并保湿养护。

图13 打印构件养护

4 施工过程

作为“OFFICE OF THE FUTURE”的装配施工方，中建中东有限公司对3D打印构件在预应力张拉，墙体对接锚固、拼装方法等施工技术进行了探索、研究，并积累了宝贵经验，总结出了一整套3D打印建筑装配式施工方法，为未来的3D打印建筑施工技术的发展做好了技术储备。图14为“OFFICE OF THE FUTURE”混凝土3D打印施工流程图。

图14 施工流程图

项目采用了分块打印墙体结构构件后组装的施工技术方案，墙体构件是在国内打印工厂打印完成后利用集装运送至迪拜安装现场进行安装施工的。图15-图26 为主要的施工过程。

图19 张拉顶片横向预应力筋

图26 安装完成后3D打印办公室

混凝土3D打印结构后张法预应力设计，后张法预应力的采用不仅提高了跨度较大结构的抗拉性能，同时大量减少了构件打印过程中的钢筋网片用量；在提高构件强度的同时尽可能提高了构件生产的机械化程度。采用桁架式钢筋网片配筋方式，预应力筋与钢筋桁架网片筋形成正交的加筋体系，共同承受上面的荷载。同时桁架钢筋网片和预应力钢筋埋在3D打印混凝土里面，与之形成很好的钢筋混凝土受力构件，保证混凝土3D打印建筑安全。

5 展望

建筑3D打印技术是集设备、机电控制、混凝土新材料、施工技术于一体的综合技术。目前，建筑3D打印技术在我国尽管属于刚起步阶段，但是随着2016年8月住建部《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》“积极开展建筑业3D打印设备及材料的研究，探索3D打印技术运用于建筑部品、构件生产，开展示范应用”等国家政策的出台及支持，以及各个大学、研究单位和企业通过3D打印混凝土、建筑3D打印设备开发等相关项目的不断研究和应用探索，3D打印技术在建工工程、和基础建设等领域会不断得到应用。随着这项技术的不断成熟相信在未来混凝土3D打印技术在打印建筑免拆模板，异形曲面的建筑墙体，景观部品，城市家具，低层房屋建筑等很多领域都会得到广泛应用，它与传统建造技术相互结合、相互补充，推进建造技术的快速进步。