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3D打印技術(shù)及其在超高層建筑應(yīng)用的可行性分析

3D打印前沿
2024
01/02
14:54
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評(píng)論
作者:左自波 黃玉林,張龍龍,等
來(lái)源:《建筑結(jié)構(gòu)》雜志社

收集了國(guó)內(nèi)外31個(gè)機(jī)構(gòu)所采用的3D打印設(shè)備及工藝,分析了3D打印設(shè)備及工藝特點(diǎn)。基于統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,給出了3D打印在建筑工程中的分階段應(yīng)用技術(shù)路線,包括打印異形非承重結(jié)構(gòu)、復(fù)雜模板及節(jié)點(diǎn)、輕質(zhì)承重結(jié)構(gòu)、異形房屋和異形建(構(gòu))筑物。以高層、超高層建筑為研究對(duì)象,介紹了爬升式和落地式造樓裝備的結(jié)構(gòu)原理,提出了3D打印設(shè)備發(fā)展的技術(shù)方案,即3D打印設(shè)備與現(xiàn)有造樓裝備集成和開發(fā)新型3D打印設(shè)備;分析了3D打印技術(shù)在超高層建筑工程應(yīng)用的可行性和挑戰(zhàn)。

一3D打印及其在建筑工程應(yīng)用技術(shù)

1.1 打印工藝統(tǒng)計(jì)
統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)外31個(gè)機(jī)構(gòu)所采用的建筑3D打印工藝,主要包括材料擠出、粘合劑噴射(也稱為三維打印(3DP))、直接能量沉積和熔融沉積(FDM),如表1所示。

材料擠出是指通過3D打印設(shè)備的噴嘴選擇性地?cái)D出材料,如混凝土打印、輪廓工藝和數(shù)字施工平臺(tái);粘合劑噴射是指通過3D打印設(shè)備選擇性地噴射液體粘合劑和粘結(jié)粉末材料,如D型工藝;直接能量沉積是指通過3D打印設(shè)備聚集熱能熔化材料后逐層沉積,如電弧熔絲;熔融沉積是指通過3D打印設(shè)備噴頭加熱熔化材料后擠壓堆積凝固成型。

材料擠出在建筑3D打印工藝應(yīng)用中占比最高,其次是熔融沉積,最后是粘合劑噴射和直接能量沉積。材料擠出所使用的材料有混凝土、泡沫、復(fù)合粘土、輕質(zhì)石材、玄武巖及生物塑料等;熔融沉積所使用的材料為熱塑塑料、樹脂和工程塑料等聚合物;粘合劑噴射所使用的材料為砂或石等及膠合劑;直接能量沉積所使用的材料為不銹鋼。

典型建筑3D打印材料力學(xué)性能如表2所示。


1.2 打印設(shè)備結(jié)構(gòu)形式

建筑3D打印設(shè)備結(jié)構(gòu)類型的統(tǒng)計(jì)如圖1所示。由圖1和表1可見,常用的打印設(shè)備類型包括龍門式、機(jī)械臂、桁架式和塔式4類,占比分別為25.8%、35.5%、35.5%和3.2%。根據(jù)是否可移動(dòng),設(shè)備分移動(dòng)式和固定式2種;根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)地,設(shè)備可分為現(xiàn)場(chǎng)打印和室內(nèi)打印2種。
▲ 圖1  建筑3D打印設(shè)備結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)計(jì)

分析不同建筑3D打印設(shè)備的特點(diǎn),如表3所示。

在適用范圍方面,龍門式更適合室內(nèi)打印,機(jī)械臂和桁架式適用于現(xiàn)場(chǎng)或室內(nèi)打印,塔式更適合現(xiàn)場(chǎng)打印。

在是否移動(dòng)方面,龍門式一旦安裝后不可移動(dòng);機(jī)械臂多數(shù)可移動(dòng),少數(shù)固定,不可移動(dòng);桁架式多數(shù)不可移動(dòng),少數(shù)可通過吊裝重新設(shè)置基礎(chǔ)進(jìn)行安裝;塔式通常自身不可移動(dòng),但可通過吊裝進(jìn)行移動(dòng)。

在打印尺度和定位精度方面,桁架式由于自身結(jié)構(gòu)靈活,適用于超大型結(jié)構(gòu)的打印,定位精度適中;龍門式由于結(jié)構(gòu)自重較大、靈活性較低,適用于大型結(jié)構(gòu)的打印,由于剛度大所以定位精度極高;塔式由于受懸臂結(jié)構(gòu)自重和撓度的限制,適用于中型結(jié)構(gòu)的打印,定位精度低;機(jī)械臂由于靈活性高,適合小型結(jié)構(gòu)的打印,也可增加導(dǎo)軌或定位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)的打印,定位精度較高。

1.3 工程應(yīng)用技術(shù)
概括3D打印工程應(yīng)用總體技術(shù)路線,如圖2所示。

▲ 圖2  3D打印工程應(yīng)用總體技術(shù)路線

第1階段,將3D打印應(yīng)用于打印模板及節(jié)點(diǎn)和異形非承重結(jié)構(gòu):例如,通過打印復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)模具進(jìn)行鑄造,得到鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn),也可直接打印鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)(圖3(a))[1-2];通過打印異形結(jié)構(gòu)模板進(jìn)行澆筑,實(shí)現(xiàn)異形結(jié)構(gòu)建造。也可將3D打印直接應(yīng)用于裝飾結(jié)構(gòu)和景觀結(jié)構(gòu)(圖3(b))等異形非承重結(jié)構(gòu)[3]的建造。

▲ 圖3  3D打印節(jié)點(diǎn)和非承重結(jié)構(gòu)

第2階段,將3D打印應(yīng)用于打印輕質(zhì)承重結(jié)構(gòu):豎向功能構(gòu)件和水平輕質(zhì)構(gòu)件,構(gòu)件打印完成后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)裝配,完成建(構(gòu))筑物的建造。豎向功能構(gòu)件包括輕質(zhì)墻體、保溫隔熱墻體和異形輕質(zhì)柱等(圖4);水平輕質(zhì)構(gòu)件包括輕質(zhì)拓?fù)鋬?yōu)化梁、輕質(zhì)板等(圖5),水平結(jié)構(gòu)打印通常采用打印構(gòu)件加組裝或預(yù)應(yīng)力張拉的方式,金屬打印采用一次打印的方式。

▲ 圖4  3D打印豎向功能構(gòu)件

▲ 圖5  3D打印水平輕質(zhì)構(gòu)件

第3階段,將3D打印直接用于異形房屋、異形建(構(gòu))筑物的現(xiàn)場(chǎng)或整體打。阂来斡糜诘蛯、多層、高層和超高層的3D打印的建(構(gòu))筑物,見圖6。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展,3D打印將從異形個(gè)性化建(構(gòu))筑物的打印建造向通用建(構(gòu))筑物的打印建造發(fā)展。

▲ 圖6  3D打印的建(構(gòu))筑物

二、3D打印在超高層建筑中應(yīng)用的可行性分析

2.1 現(xiàn)有多層、高層及超高層建筑3D打印設(shè)備技術(shù)方案
圖7為現(xiàn)有多層、高層建筑的3D打印設(shè)備的技術(shù)方案。針對(duì)多層建筑物,可采用混凝土泵車式3D打印設(shè)備,該設(shè)備的伸展臂架為3D打印控制系統(tǒng)臂架,在臂架前端設(shè)置打印噴頭,該類設(shè)備定位精度更高、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較好。

▲ 圖7  多層、高層建筑的3D打印設(shè)備的技術(shù)方案

針對(duì)連續(xù)變截面中空式結(jié)構(gòu),可采用固定式3D打印設(shè)備,該設(shè)備包括打印裝置和驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向裝置,通過打印裝置沿著驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向裝置的提升作業(yè),實(shí)現(xiàn)高度方向的擴(kuò)展打印,適用于筒體結(jié)構(gòu)施工且無(wú)需附著已打印結(jié)構(gòu)。

針對(duì)高層建筑物,可采用塔式3D打印設(shè)備[17],該設(shè)備是通過在自爬升式塔吊的基礎(chǔ)上增加打印頭等系統(tǒng)進(jìn)行打印建造的;也可采用可擴(kuò)展式3D打印設(shè)備,該設(shè)備通過三軸驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向裝置和與其連接的打印裝置,實(shí)現(xiàn)高度方向和水平方向上的擴(kuò)展打印。

▲ 圖8  高層建筑3D打印設(shè)備的技術(shù)方案

圖9為現(xiàn)有超高層建筑3D打印設(shè)備的技術(shù)方案。針對(duì)超高層建筑物,可采用附著爬升式3D打印設(shè)備,該設(shè)備包括附著爬升系統(tǒng)和打印裝置,通過打印預(yù)留孔洞或預(yù)埋構(gòu)件作為附著爬升系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu),完成爬升打印。

針對(duì)異形結(jié)構(gòu),可采用自爬升式3D打印設(shè)備,該設(shè)備包括打印裝置、自適應(yīng)擴(kuò)展裝置和導(dǎo)軌標(biāo)準(zhǔn)節(jié)提升裝置,通過控制打印頭在環(huán)形平面內(nèi)的移動(dòng)進(jìn)行打印,通過提升裝置吊裝導(dǎo)軌標(biāo)準(zhǔn)節(jié),實(shí)現(xiàn)打印裝置在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上移動(dòng),擴(kuò)展打印范圍。

▲ 圖9  超高層建筑3D打印設(shè)備的技術(shù)方案

2.2 可與現(xiàn)有造樓裝備集成的3D打印設(shè)備技術(shù)方案

圖10為現(xiàn)有高層、超高層建筑施工造樓裝備的基本原理。通過造樓裝備可實(shí)現(xiàn)施工環(huán)境從高空作業(yè)向陸地施工轉(zhuǎn)變。
▲ 圖10  現(xiàn)有高層、超高層建筑造樓裝備的基本原理

針對(duì)高200m以上的建筑,建議采用爬升式造樓裝備(也稱為整體爬升鋼平臺(tái)模架裝備或造樓機(jī)),該裝備主要包括施工平臺(tái)、爬升系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、塔吊和布料機(jī)等。

針對(duì)高200m及以下的建筑,建議采用落地式造樓裝備(也稱為空中造樓機(jī)),該裝備主要包括施工平臺(tái)、爬升系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、吊裝系統(tǒng)和布料系統(tǒng)等。

目前,爬升式造樓裝備的模板開合和混凝土布料尚未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,落地式造樓裝備模板自動(dòng)開合和混凝土自動(dòng)布料處于試驗(yàn)階段,兩種裝備的綁扎鋼筋均為人工完成。

綜合現(xiàn)有建筑3D打印設(shè)備結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,優(yōu)先選擇與造樓裝備集成的打印設(shè)備類型為機(jī)械臂和塔式,其次是桁架,最后是龍門式。

針對(duì)爬升式造樓裝備,可將布料機(jī)替換為塔式3D打印設(shè)備,也可將布料機(jī)替換為機(jī)械臂3D打印設(shè)備(圖11),通過連接裝置將帶有柔性導(dǎo)軌的機(jī)械臂3D打印設(shè)備與造樓裝備集成,不需要模板系統(tǒng)。
▲ 圖11  集成造樓裝備示意圖

針對(duì)落地式造樓裝備,可將布料系統(tǒng)改造為龍門式3D打印設(shè)備,不需要模板系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)方面,將現(xiàn)有3D打印設(shè)備與造樓裝備集成,需通過連接裝置(圖12)連接;在控制系統(tǒng)方面,需要進(jìn)行坐標(biāo)位置的初始化,從而實(shí)現(xiàn)與打印控制系統(tǒng)的集成。

▲ 圖12  3D打印連接裝置

2.3 新型超高層3D打印設(shè)備技術(shù)方案

基于1.1節(jié)建筑3D打印設(shè)備的調(diào)研分析,提出了一些新型超高層建筑3D打印設(shè)備的技術(shù)方案,如圖13所示。

▲ 圖13  新型超高層3D打印設(shè)備的技術(shù)方案

針對(duì)現(xiàn)有附著爬升式3D打印設(shè)備不適用于設(shè)備框架外部結(jié)構(gòu)(框架柱、樓板)打印的問題,提出了一種交替爬升式3D打印設(shè)備,見圖13(a)。

該設(shè)備包括導(dǎo)軌組件、打印裝置和提升系統(tǒng),其應(yīng)用中,首先,通過打印裝置同步打印超高層建筑的核心筒和外框架;其次,使用提升系統(tǒng)吊裝鋼梁和壓型鋼板作為支撐,進(jìn)行樓層板的打;最后,通過提升系統(tǒng)提升導(dǎo)軌組件進(jìn)行交替爬升,以拓展打印范圍。針對(duì)現(xiàn)有3D打印設(shè)備多數(shù)安置于工廠中且無(wú)法移動(dòng)問題,提出了一種集裝箱式現(xiàn)場(chǎng)3D打印設(shè)備,見圖13(b)。

該設(shè)備可移動(dòng)、可自動(dòng)布設(shè)鋼筋,包括移動(dòng)集裝箱、連接機(jī)構(gòu)、打印機(jī)構(gòu)、布筋機(jī)構(gòu)等。針對(duì)現(xiàn)有塔式3D打印設(shè)備存在定位和打印精度不可控的問題,提出了一種動(dòng)態(tài)平衡塔式3D打印設(shè)備,見圖13(c)。

該設(shè)備包括門架、吊臂架、平衡臂架、標(biāo)準(zhǔn)配重組件和液體循環(huán)平衡組件,該設(shè)備在打印過程中,可根據(jù)打印頭移動(dòng)速度控制流入、流出流量,使吊臂架和平衡臂架的力矩維持動(dòng)態(tài)平衡,實(shí)現(xiàn)高精度定位和打印建造。

上述3種設(shè)備具有各自的適用范圍,交替爬升式3D打印設(shè)備用于高層、超高層建筑的打印,集裝箱式現(xiàn)場(chǎng)3D打印設(shè)備、動(dòng)態(tài)平衡塔式3D打印設(shè)備均可與造樓裝備集成。

2.4 工程應(yīng)用可行性分析
針對(duì)現(xiàn)有超高層建筑結(jié)構(gòu)體系,采用現(xiàn)有3D打印設(shè)備工藝及材料,在工程中可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)、異形模板以及裝飾及景觀等非承重結(jié)構(gòu)的打印。研發(fā)了集裝箱式現(xiàn)場(chǎng)3D打印設(shè)備(圖14),可與爬升式造樓裝備集成。

▲ 圖14  集裝箱式現(xiàn)場(chǎng)3D打印設(shè)備實(shí)物圖

3D打印設(shè)備與造樓裝備協(xié)同作業(yè)的工藝為:

造樓裝備施工一定高度的核心筒結(jié)構(gòu)后,通過集成于造樓裝備上的塔吊吊裝3D打印設(shè)備至已施工的核心筒結(jié)構(gòu)內(nèi)部;通過3D打印設(shè)備打印核心筒的二次結(jié)構(gòu);對(duì)核心筒二次結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝。

該工藝解決了采用現(xiàn)有超高層造樓裝備在二次結(jié)構(gòu)施工中存在高空作業(yè)的問題,同時(shí)可為機(jī)電、電梯等墻體二次結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化施工提供新思路。此外,還可將3D打印技術(shù)應(yīng)用于造樓裝備的核心筒預(yù)留孔洞封堵件、導(dǎo)軌墊塊的打印等。

總體而言,盡管未來(lái)3D打印技術(shù)在超高層建筑的建造方面具有廣闊的前景,但以下方面還需深入研究:

(1)3D打印建筑結(jié)構(gòu)研究。有必要打破傳統(tǒng)鋼筋+混凝土、鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念方法,開展適合3D打印的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)和低層、多層、高層及超高層新型建筑結(jié)構(gòu)研究,以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)、打印建造等一體化的標(biāo)準(zhǔn)體系研究。

(2)3D打印設(shè)備工藝及配套技術(shù)研究。有必要開展全過程整體3D打印工藝研究,如水平結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)、拆除改造、多尺度結(jié)構(gòu)、多材料結(jié)構(gòu)等打印設(shè)備工藝;有必要開展適合超高層建造的打印材料及輸送技術(shù)研究;有必要開展打印質(zhì)量檢測(cè)和調(diào)控技術(shù)研究;有必要開展打印設(shè)備與超高層建筑造樓裝備協(xié)同控制技術(shù)研究。

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作者簡(jiǎn)介


左自波,高級(jí)工程師。現(xiàn)任上海建工集團(tuán)工程研究總院數(shù)字化建造研究室主任,上海市科技專家?guī)鞂<,上海市建筑學(xué)會(huì)數(shù)字建筑分會(huì)委員,上海市增材制造協(xié)會(huì)專家委員會(huì)委員,同濟(jì)大學(xué)校外導(dǎo)師,上海理工大學(xué)碩士生導(dǎo)師,國(guó)際電氣電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)會(huì)員,JOM等SCI期刊審稿人。長(zhǎng)期從事3D打印、三維掃描和智能控制等數(shù)字化建造技術(shù)研究與應(yīng)用,致力于讓工程建造更簡(jiǎn)單、更舒適、更經(jīng)濟(jì)、更安全、更高效。牽頭或參與了上海建工3D打印科技試驗(yàn)樓等30余項(xiàng)工程的建設(shè)或策劃。主持或參與完成國(guó)家級(jí)及上海市科研項(xiàng)目10余項(xiàng)。獲授權(quán)專利100余項(xiàng);在Nature子刊Nature Reviews Materials等期刊發(fā)表論文30余篇;主參編專著5部,參編標(biāo)準(zhǔn)2部。受邀參加國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議并作報(bào)告10余次。曾入選上海市科技啟明星計(jì)劃、飛翔計(jì)劃。


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