施工技术丨再不看就out了，3D打印已经开始这样应用啦！

3D打印将信息、材料、生物、控制等技术融合渗透，将对制造业生产模式与人类生活方式产生重要影响。目前3D打印采用的工艺可分为两大类：选择性黏合打印技术、选择性沉积打印技术。选择性黏合打印技术通过黏合原材料制造物体，包括光固化方法SLA、选择性激光烧结法SLS、三维印刷工艺3DP。选择性沉积打印技术通过沉积原材料制造物体，包括熔融沉积法FDM、聚合物喷射技术Polyjet等。

3D打印在建筑领域的应用在近年来取得了突破性进展，出现了以选择性沉积打印技术为基础的“轮廓工艺”，以及以选择性黏合打印技术为基础的“黏结工艺”。

“轮廓工艺”由美国南加州大学工业与系统工程教授比洛克·霍什内维斯提出，其工作原理为在三维软件的控制下，利用可x，y，z三向运动的机械喷头，按照预先设计好的图纸，将经过特殊配制的混凝土浆体通过喷头挤出并逐层叠加，利用该特种混凝土速凝的特性实现构件的无模板自立，利用上、下层混凝土间的黏结力实现构件的整体性。

图1 轮廓工艺建筑3D打印

世界首台利用“黏结工艺”制造的大型建筑3D打印机由意大利研究者Enrico Dini发明制造，通过喷射镁质黏合物逐层黏合砂子，成功打印出4m高的石质建筑物。

图2 黏结工艺建筑3D打印

配筋砌体剪力墙体系

配筋砌体剪力墙体系是指在砌体中设置竖向和水平钢筋并灌芯的结构体系。其中，竖向钢筋插入砌块砌体上下贯通的孔中，用灌芯混凝土灌实，使钢筋与砌块和混凝土共同作用；水平钢筋设置在水平灰缝中，形成配筋砌块混凝土结构体系。

图3 配筋砌体剪力墙

该体系由于有了灌芯混凝土和钢筋，具有了很好的抗拉强度和抗压强度，良好的延性与抗震阻尼性，尤其具有良好的抗剪强度，能有效抵抗地震和风产生的横向荷载。配筋砌体是近几十年来在无筋砌体的基础上发展起来的 一种强度高、延性好、抗震性能佳、施工方便、造价较低的新型体系, 是一种能与钢筋混凝土结构相媲美的体系。

配筋砌体可设计成梁、柱、墙体各种构件, 可用于地震区和非地震区的各类建筑结构。对建筑物的高度,规范规定在低烈度区高度不作限制,由计算确定；在7度及以上地区才对高度提出必要的限制,其限值与钢筋混凝土结构相同：配筋砌体剪力墙结构,高度不超过50m;配筋砌体剪力墙与空间抗弯框架组合,高度由计算决定。由此可见这种体系具有很大的适用性。

3D打印配筋砌体剪力墙体系

通过与配筋砌体剪力墙体系进行类比，结合3D打印的特点与优势，本文提出了3D打印配筋砌体剪力墙体系。

图4 3D打印砌体与传统砌块砌体类比

图5 3D打印墙体

该体系利用3D打印轮廓工艺一次性打印成片带肋墙体，通过在3D打印带肋墙体中配置横向钢筋和竖向钢筋，在墙体转角、边缘等部位设置焊接平放钢筋网片以加强边缘构件，并在打印形成的墙体外壳内进行混凝土灌芯，形成3D打印配筋砌体剪力墙；采用现浇钢筋混凝土建造梁、板体系以增强结构的整体性。

图6 3D打印配筋砌体剪力墙配筋

图7 3D打印配筋砌体剪力墙边缘构件配筋

经试验验证，该3D打印材料的抗压强度与C20混凝土相当。根据《混凝土结构设计规范》GB50010—2010,C20混凝土的抗压强度设计值为fc=9.6MPa。根据《砌体结构设计规范》GB50003—2011,MU20单排孔混凝土砌块当砂浆强度等级为Mb20时的抗压强度为fc=6.3MPa。因此，该3D打印剪力墙外壳的抗压强度高于砌块，可以取代配筋砌体剪力墙结构体系中的空心砌块。

3D打印配筋砌体剪力墙结构与传统的配筋砌体剪力墙结构相比具有如下优点。

1）3D打印形成的壳体取代了原来的混凝土小型空心砌块，大大简化了现场施工劳动力，节省了施工工序。

2）3D打印的材料可采用建筑垃圾进行加工，打印过程不产生建筑垃圾，可最大限度地实现绿色建筑“四节一环保”的目标（节能、节地、节水、节材，保护环境减少污染），符合我国国务院提出的节能减排“十二五”规划。

3）3D打印可以非常容易地打印出其他方式很难建造的高成本曲线建筑。

3D打印示范工程

为验证该3D打印配筋砌体剪力墙体系的合理性，于苏州市工业园区一试验场地内建造了1幢5层的3D打印配筋砌体剪力墙体系试验楼。该试验楼占地150m2，高15.3m，地上5层，地下1层，底层为14.2m×10.1m的规则矩形，筏板基础，按12层住宅楼研发设计。

图8 3D打印配筋砌体剪力墙示范楼照片

该示范工程按12层住宅楼进行设计，结构设计依据为《建筑抗震设计规范》GB50011—2010、《砌体结构设计规范》GB50003—2011以及《混凝土结构设计规范》GB50010—2010。

根据《建筑抗震设计规范》附录A：苏州抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值0.05g。根据《建筑抗震设计规范》F.1.1：抗震设防烈度为6度时，配筋混凝土小型空心砌块抗震墙房屋最大适用高度为60m。本试验楼12层房屋总高度为：12×2.8=33.6m ＜ 60m，故最大高度满足规范要求。根据《建筑抗震设计规范》F.1.1：抗震设防烈度为6度时，配筋混凝土小型空心砌块抗震墙房屋的最大高宽比为4.5。本试验楼的高宽比为12×2.8/10.5=3.2＜ 4.5，故最大高宽比满足规范要求。

考虑楼面恒荷载、活荷载和水平风荷载后，经计算，本试验楼墙体的高厚比、正截面承载力、斜截面承载力均满足规范，墙体仅按构造配筋即可。根据《砌体结构设计规范》10.1.7条，当抗震设防烈度为6度时，规则的砌体结构房屋允许不进行抗震验算，但应符合《建筑抗震设计规范》规定的抗震措施要求。因而，本试验楼的结构设计满足规范要求。

此外，在本试验楼的实际建造过程中还形成了与3D打印配筋砌体剪力墙体系相匹配的如下施工工艺。

1）分块方法 根据3D打印机的打印尺度限制与吊装设备要求，墙体须分块打印。竖向按结构层分块，水平向各分块的接缝须避开墙体边缘、转角等剪力墙边缘构件部位，尽量选择门、窗洞边分缝。

2）吊装方法 在3D打印墙体的局部孔洞内预先灌芯并预埋吊钩，利用汽车式起重机吊装墙体。

3）灌芯方法 由于3D打印墙体的灌芯孔洞尺寸小，深度大（层高2.8m），灌芯后振捣难度大，因而选择自密实混凝土进行墙体灌芯浇筑。

图9 3D打印配筋砌体剪力墙预埋吊点

作者丨白 洁，葛 杰，苗冬梅，马荣全，以上内容节选自《 3D打印在多层建筑中的应用》，更多请查询《施工技术》2015年第17期