3D打印技术及其在超高层建筑应用的可行性分析

时间：2024-01-03 09:43 来源：《建筑结构》杂志社作者：admin 阅读：次

收集了国内外31个机构所采用的3D打印设备及工艺，分析了3D打印设备及工艺特点。基于统计分析结果，给出了3D打印在建筑工程中的分阶段应用技术路线，包括打印异形非承重结构、复杂模板及节点、轻质承重结构、异形房屋和异形建(构)筑物。以高层、超高层建筑为研究对象，介绍了爬升式和落地式造楼装备的结构原理，提出了3D打印设备发展的技术方案，即3D打印设备与现有造楼装备集成和开发新型3D打印设备；分析了3D打印技术在超高层建筑工程应用的可行性和挑战。
一3D打印及其在建筑工程应用技术
1.1 打印工艺统计
统计了国内外31个机构所采用的建筑3D打印工艺，主要包括材料挤出、粘合剂喷射(也称为三维打印(3DP))、直接能量沉积和熔融沉积(FDM)，如表1所示。

材料挤出是指通过3D打印设备的喷嘴选择性地挤出材料，如混凝土打印、轮廓工艺和数字施工平台；粘合剂喷射是指通过3D打印设备选择性地喷射液体粘合剂和粘结粉末材料，如D型工艺；直接能量沉积是指通过3D打印设备聚集热能熔化材料后逐层沉积，如电弧熔丝；熔融沉积是指通过3D打印设备喷头加热熔化材料后挤压堆积凝固成型。

材料挤出在建筑3D打印工艺应用中占比最高，其次是熔融沉积，最后是粘合剂喷射和直接能量沉积。材料挤出所使用的材料有混凝土、泡沫、复合粘土、轻质石材、玄武岩及生物塑料等；熔融沉积所使用的材料为热塑塑料、树脂和工程塑料等聚合物；粘合剂喷射所使用的材料为砂或石等及胶合剂；直接能量沉积所使用的材料为不锈钢。

典型建筑3D打印材料力学性能如表2所示。

1.2 打印设备结构形式

建筑3D打印设备结构类型的统计如图1所示。由图1和表1可见，常用的打印设备类型包括龙门式、机械臂、桁架式和塔式4类，占比分别为25.8%、35.5%、35.5%和3.2%。根据是否可移动，设备分移动式和固定式2种；根据应用场地，设备可分为现场打印和室内打印2种。

▲ 图1 建筑3D打印设备结构形式统计

分析不同建筑3D打印设备的特点，如表3所示。

在适用范围方面，龙门式更适合室内打印，机械臂和桁架式适用于现场或室内打印，塔式更适合现场打印。

在是否移动方面，龙门式一旦安装后不可移动；机械臂多数可移动，少数固定，不可移动；桁架式多数不可移动，少数可通过吊装重新设置基础进行安装；塔式通常自身不可移动，但可通过吊装进行移动。

在打印尺度和定位精度方面，桁架式由于自身结构灵活，适用于超大型结构的打印，定位精度适中；龙门式由于结构自重较大、灵活性较低，适用于大型结构的打印，由于刚度大所以定位精度极高；塔式由于受悬臂结构自重和挠度的限制，适用于中型结构的打印，定位精度低；机械臂由于灵活性高，适合小型结构的打印，也可增加导轨或定位机构实现大型结构的打印，定位精度较高。

1.3 工程应用技术
概括3D打印工程应用总体技术路线，如图2所示。

▲ 图2 3D打印工程应用总体技术路线

第1阶段，将3D打印应用于打印模板及节点和异形非承重结构：例如，通过打印复杂钢结构节点模具进行铸造，得到钢结构节点，也可直接打印钢结构节点(图3(a))[1-2]；通过打印异形结构模板进行浇筑，实现异形结构建造。也可将3D打印直接应用于装饰结构和景观结构(图3(b))等异形非承重结构[3]的建造。

▲ 图3 3D打印节点和非承重结构

第2阶段，将3D打印应用于打印轻质承重结构：竖向功能构件和水平轻质构件，构件打印完成后进行现场装配，完成建(构)筑物的建造。竖向功能构件包括轻质墙体、保温隔热墙体和异形轻质柱等(图4)；水平轻质构件包括轻质拓扑优化梁、轻质板等(图5)，水平结构打印通常采用打印构件加组装或预应力张拉的方式，金属打印采用一次打印的方式。

▲ 图4 3D打印竖向功能构件

▲ 图5 3D打印水平轻质构件

第3阶段，将3D打印直接用于异形房屋、异形建(构)筑物的现场或整体打印：依次用于低层、多层、高层和超高层的3D打印的建(构)筑物，见图6。随着3D打印技术的发展，3D打印将从异形个性化建(构)筑物的打印建造向通用建(构)筑物的打印建造发展。

▲ 图6 3D打印的建(构)筑物

(责任编辑：admin)

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