3D打印技術(shù)及其在超高層建筑應(yīng)用的可行性分析(2)
時間：2024-01-03 09:43 來源：《建筑結(jié)構(gòu)》雜志社 作者：admin 閱讀：次
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)動導(dǎo)向裝置，通過打印裝置沿著驅(qū)動導(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)施工且無需附著已打印結(jié)構(gòu)。
針對高層建筑物，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，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模架裝備或造樓機(jī))，該裝備主要包括施工平臺、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、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)自動化，落地式造樓裝備模板自動開合和混凝土自動布料處于試驗(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)行樓層板的打印；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。針對現(xiàn)有3D打印設(shè)備多數(shù)安置于工廠中且無法移動問題，提出了一種集裝箱式現(xiàn)場3D打印設(shè)備，見圖13(b)。
該設(shè)備可移動、可自動布設(shè)鋼筋，包括移動集裝箱、連接機(jī)構(gòu)、打印機(jī)構(gòu)、布筋機(jī)構(gòu)等。針對現(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3D打印設(shè)備、動態(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，同時可為機(jī)電、電梯等墻體二次結(jié)構(gòu)的自動化施工提供新思路。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。
參考文獻(xiàn)
[1] WANG L X,DU W F,HE P F,et al.Topology optimization and 3D printing of three-branch joints in treelike structures[J].Journal of Structural Engineering,2020,146(1):04019167.
[2] BUCHANAN C, GARDNER L. Metal 3D printing in construction:a review of methods,research,applications,opportunities and challenges[J].Engineering Structures,2019,180:332-348.
[3] NABONI R,KUNIC A,BRESEGHELLO L.Computational design,engineering and manufacturing of a material-efficient 3D printed lattice structure[J].International Journal of Architectural Computing,2020,18(4)：404-423.
[4] 周林,杜彩霞,張鵬,等.3D打印混凝土的各向抗壓性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2022,52(6):85-89，75.
[5] IZARD J B,DUBOR A,HERVé P E,et al.Large-scale 3D printing with cable-driven parallel robots[J].Construction Robotics,2017,1:69-76.
[6] KEATING S J,LELAND J C,CAI L,et al.Toward site-specific and self-sufficient robotic fabrication on architectural scales[J].Science Robotics,2017,2(5):eaam8986.
[7] ANTON A,REITER L,WANGLER T,et al.A 3D concrete printing prefabrication platform for bespoke columns[J].Automation in Construction,2021,122:103467.
[8] DE SCHUTTER S,LESAGE K,MECHTCHERINE V,et al.Vision of 3D printing with concrete—technical,economic and environmental potentials[J].Cement and Concrete Research,2018,112:25-36.
[9] SALET T A M,AHMED Z Y,BOS F P,et al.Design of a 3D printed concrete bridge by testing[J].Virtual and Physical Prototyping,2018,13(3):222-236.
[10] VANTYGHEM G,DE CORTE W,SHAKOUR E,et al.3D printing of a post-tensioned concrete girder designed by topology optimization[J].Automation in Construction,2020,112:103084.
[11] 陳曉明,陸承麟,龔明,等.超大尺度高分子復(fù)合材料3D打印技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用[J].施工技術(shù)(中英文),2021,50(21):41-45，63.
[12] FELDMANN M,KüHNE R,CITARELLI S,et al.3D-Drucken im Stahlbau mit dem automatisierten Wire Arc Additive Manufacturing [J].Stahlbau,2019,88(3):203-213.
[13] WU H,LIEW A,VAN MELE T,et al.Analysis and optimisation of a rib-stiffened vaulted floor for dynamic performance[J].Engineering Structures,2020,213:110577.
[14] LOWKE D,DINI E,PERROT A,et al.Particle-bed 3D printing in concrete construction-possibilities and challenges [J].Cement and Concrete Research,2018,112:50-65.
[15] Soon to be constructed:world’s first 3D printed high-rise building[EB/OL].[2021.12.14].https://www.adgeco.com/soon-cons ... high-rise-building.
[16] MECHTCHERINE V,NERELLA V N,WILL F,et al.Large-scale digital concrete construction-CONPrint3D concept for on-site,monolithic 3D-printing[J].Automation in Construction,2019,107:102933.
[17] 廖選茂,戴立先,馬義俊,等.一種塔式3D打印機(jī)及其打印方法：CN103786235A [P].2016-01-27.
作者簡介
左自波，高級工程師。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＜遥虾Ｊ薪ㄖ䦟W(xué)會數(shù)字建筑分會委員，上海市增材制造協(xié)會專家委員會委員，同濟(jì)大學(xué)校外導(dǎo)師，上海理工大學(xué)碩士生導(dǎo)師，國際電氣電子工程師學(xué)會(IEEE)會員，JOM等SCI期刊審稿人。長期從事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。主持或參與完成國家級及上海市科研項(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。受邀參加國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議并作報告10余次。曾入選上海市科技啟明星計(jì)劃、飛翔計(jì)劃。
(責(zé)任編輯：admin)
Himed評估不同噴砂磨料在3
粉末粒徑可以控制增材制造
Divergent公司以3D打印技
浙大口腔醫(yī)學(xué)院：生物3D打
新型類器官樣神經(jīng)血管球促
推動粘結(jié)劑噴射（鑄造/金最新內(nèi)容
選區(qū)激光熔化增材
大型聚合物3D打印
6K Additive最新
如何打造增材制造
從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)
3D打印在口腔修復(fù)熱點(diǎn)內(nèi)容
