3D打印建筑工程结构设计与施工技术

张永虹 王新元＊ 戴耀文 王新珂

（1 北京美斯顿科技开发有限公司，北京 100020；2 北京文和人居建设科技有限公司，北京 100000）

0 前言

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[1-6]。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[7-12]。本文结合实体工程案例，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。

1 工程概况

本工程位于北京市昌平区马池口镇，为单层3D打印建筑，名为“毛毡房小屋”。建筑面积24.8m2，建筑高度3m，屋顶采用轻钢结构，基础圈梁采用现浇混凝土，墙体及基础均采用现场打印且一体成型方式。

本工程在对原始地面硬化处理后进行，建筑设计使用年限为5年，打印墙体的厚度基于现有混凝土墙参数及打印喷头的尺寸综合考虑确定，打印基础及圈梁由计算确定。

2 设计方案

本设计方案包括打印基础、现浇圈梁、打印墙体和门窗过梁及房顶设计方案，除圈梁及房顶外，其余全部采用3D打印技术方式完成。本工程提出一种基础、圈梁及墙体的连接施工方式。

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。见图1～图3。

图2 基础整体剖面图Fig.2 Overall profile of foundation

图3 基础1-1剖面Fig.3 Foundation 1-1 section

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。见图4。

图4 圈梁平面图Fig.4 Circle beam plan

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。见图5、图6。

图5 打印墙体外立面Fig.5 The facade of the printing wall

图6 门窗边构造详图Fig.6 The detail construction of windows and doors

2.4 房顶设计

墙体打印完成后，将15mm厚的水泥砂浆涂覆于墙体的最顶层横向钢筋上，涂覆时添加预埋件；房顶采用钢结构形式，质量轻，结构强，如图7所示，中心为直径1000mm玻璃，外侧共划分为12份单体区域，单体弧长为1628mm，相邻区域夹角为30°，圆弧通过焊接形成台式结构，高1507mm，通过膨胀螺栓与墙体连接。

图7 房顶平面及尺寸图Fig.7 The roof plane and dimension

3 施工阶段方案

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。

4 结语

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。