3D打印技術及其在超高層建筑應用的可行性分析
時間：2024-01-03 09:43 來源：《建筑結構》雜志社 作者：admin 閱讀：次
收集了國內外31個機構所采用的3D打印設備及工藝，分析了3D打印設備及工藝特點。基于統計分析結果，給出了3D打印在建筑工程中的分階段應用技術路線，包括打印異形非承重結構、復雜模板及節點、輕質承重結構、異形房屋和異形建(構)筑物。以高層、超高層建筑為研究對象，介紹了爬升式和落地式造樓裝備的結構原理，提出了3D打印設備發展的技術方案，即3D打印設備與現有造樓裝備集成和開發新型3D打印設備；分析了3D打印技術在超高層建筑工程應用的可行性和挑戰。
一3D打印及其在建筑工程應用技術
1.1 打印工藝統計
統計了國內外31個機構所采用的建筑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打印設備的噴嘴選擇性地擠出材料，如混凝土打印、輪廓工藝和數字施工平臺；粘合劑噴射是指通過3D打印設備選擇性地噴射液體粘合劑和粘結粉末材料，如D型工藝；直接能量沉積是指通過3D打印設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、復合粘土、輕質石材、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打印材料力學性能如表2所示。
1.2 打印設備結構形式
建筑3D打印設備結構類型的統計如圖1所示。由圖1和表1可見，常用的打印設備類型包括龍門式、機械臂、桁架式和塔式4類，占比分別為25.8%、35.5%、35.5%和3.2%。根據是否可移動，設備分移動式和固定式2種；根據應用場地，設備可分為現場打印和室內打印2種。
分析不同建筑3D打印設備的特點，如表3所示。
在適用范圍方面，龍門式更適合室內打印，機械臂和桁架式適用于現場或室內打印，塔式更適合現場打印。
在是否移動方面，龍門式一旦安裝后不可移動；機械臂多數可移動，少數固定，不可移動；桁架式多數不可移動，少數可通過吊裝重新設置基礎進行安裝；塔式通常自身不可移動，但可通過吊裝進行移動。
在打印尺度和定位精度方面，桁架式由于自身結構靈活，適用于超大型結構的打印，定位精度適中；龍門式由于結構自重較大、靈活性較低，適用于大型結構的打印，由于剛度大所以定位精度極高；塔式由于受懸臂結構自重和撓度的限制，適用于中型結構的打印，定位精度低；機械臂由于靈活性高，適合小型結構的打印，也可增加導軌或定位機構實現大型結構的打印，定位精度較高。
1.3 工程應用技術
概括3D打印工程應用總體技術路線，如圖2所示。
第1階段，將3D打印應用于打印模板及節點和異形非承重結構：例如，通過打印復雜鋼結構節點模具進行鑄造，得到鋼結構節點，也可直接打印鋼結構節點(圖3(a))[1-2]；通過打印異形結構模板進行澆筑，實現異形結構建造。也可將3D打印直接應用于裝飾結構和景觀結構(圖3(b))等異形非承重結構[3]的建造。
第2階段，將3D打印應用于打印輕質承重結構：豎向功能構件和水平輕質構件，構件打印完成后進行現場裝配，完成建(構)筑物的建造。豎向功能構件包括輕質墻體、保溫隔熱墻體和異形輕質柱等(圖4)；水平輕質構件包括輕質拓撲優化梁、輕質板等(圖5)，水平結構打印通常采用打印構件加組裝或預應力張拉的方式，金屬打印采用一次打印的方式。
第3階段，將3D打印直接用于異形房屋、異形建(構)筑物的現場或整體打印：依次用于低層、多層、高層和超高層的3D打印的建(構)筑物，見圖6。隨著3D打印技術的發展，3D打印將從異形個性化建(構)筑物的打印建造向通用建(構)筑物的打印建造發展。
一3D打印及其在建筑工程應用技術
1.1 打印工藝統計
統計了國內外31個機構所采用的建筑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。
材料擠出在建筑3D打印工藝應用中占比最高，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、復合粘土、輕質石材、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打印材料力學性能如表2所示。
1.2 打印設備結構形式
建筑3D打印設備結構類型的統計如圖1所示。由圖1和表1可見，常用的打印設備類型包括龍門式、機械臂、桁架式和塔式4類，占比分別為25.8%、35.5%、35.5%和3.2%。根據是否可移動，設備分移動式和固定式2種；根據應用場地，設備可分為現場打印和室內打印2種。
▲ 圖1 建筑3D打印設備結構形式統計
分析不同建筑3D打印設備的特點，如表3所示。
在是否移動方面，龍門式一旦安裝后不可移動；機械臂多數可移動，少數固定，不可移動；桁架式多數不可移動，少數可通過吊裝重新設置基礎進行安裝；塔式通常自身不可移動，但可通過吊裝進行移動。
在打印尺度和定位精度方面，桁架式由于自身結構靈活，適用于超大型結構的打印，定位精度適中；龍門式由于結構自重較大、靈活性較低，適用于大型結構的打印，由于剛度大所以定位精度極高；塔式由于受懸臂結構自重和撓度的限制，適用于中型結構的打印，定位精度低；機械臂由于靈活性高，適合小型結構的打印，也可增加導軌或定位機構實現大型結構的打印，定位精度較高。
1.3 工程應用技術
概括3D打印工程應用總體技術路線，如圖2所示。
▲ 圖2 3D打印工程應用總體技術路線
第1階段，將3D打印應用于打印模板及節點和異形非承重結構：例如，通過打印復雜鋼結構節點模具進行鑄造，得到鋼結構節點，也可直接打印鋼結構節點(圖3(a))[1-2]；通過打印異形結構模板進行澆筑，實現異形結構建造。也可將3D打印直接應用于裝飾結構和景觀結構(圖3(b))等異形非承重結構[3]的建造。
▲ 圖3 3D打印節點和非承重結構
第2階段，將3D打印應用于打印輕質承重結構：豎向功能構件和水平輕質構件，構件打印完成后進行現場裝配，完成建(構)筑物的建造。豎向功能構件包括輕質墻體、保溫隔熱墻體和異形輕質柱等(圖4)；水平輕質構件包括輕質拓撲優化梁、輕質板等(圖5)，水平結構打印通常采用打印構件加組裝或預應力張拉的方式，金屬打印采用一次打印的方式。
▲ 圖4 3D打印豎向功能構件
▲ 圖5 3D打印水平輕質構件
第3階段，將3D打印直接用于異形房屋、異形建(構)筑物的現場或整體打印：依次用于低層、多層、高層和超高層的3D打印的建(構)筑物，見圖6。隨著3D打印技術的發展，3D打印將從異形個性化建(構)筑物的打印建造向通用建(構)筑物的打印建造發展。
▲ 圖6 3D打印的建(構)筑物
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