3D打印技術及其在超高層建筑應用的可行性分析

作者：左自波 黃玉林，張龍龍，等
來源：《建筑結構》雜志社

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�；�于統(tǒng)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(jié)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(fā)展的技術方案，即3D打印設備與現(xiàn)有造樓裝備集成和開發(fā)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(zhàn)。

一3D打印及其在建筑工程應用技術

1.1 打印工藝統(tǒng)計
統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)場打印和室內打印2種。

▲ 圖1  建筑3D打印設備結構形式統(tǒng)計

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(xiàn)場或室內打印，塔式更適合現(xiàn)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(xiàn)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(jié)點和異形非承重結構：例如，通過打印復雜鋼結構節(jié)點模具進行鑄造，得到鋼結構節(jié)點，也可直接打印鋼結構節(jié)點(圖3(a))[1-2]；通過打印異形結構模板進行澆筑，實現(xiàn)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(jié)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(xiàn)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(yōu)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(xiàn)場或整體打�。阂来斡糜诘蛯�、多層、高層和超高層的3D打印的建(構)筑物，見圖6。隨著3D打印技術的發(fā)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(fā)展。

▲ 圖6  3D打印的建(構)筑物

二、3D打印在超高層建筑中應用的可行性分析

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

▲ 圖7  多層、高層建筑的3D打印設備的技術方案

針對連續(xù)變截面中空式結構，可采用固定式3D打印設備，該設備包括打印裝置和驅動導向裝置，通過打印裝置沿著驅動導向裝置的提升作業(yè)，實現(xiàn)高度方向的擴展打印，適用于筒體結構施工且無需附著已打印結構。

針對高層建筑物，可采用塔式3D打印設備[17]，該設備是通過在自爬升式塔吊的基礎上增加打印頭等系統(tǒng)進行打印建造的；也可采用可擴展式3D打印設備，該設備通過三軸驅動導向裝置和與其連接的打印裝置，實現(xiàn)高度方向和水平方向上的擴展打印。

▲ 圖8  高層建筑3D打印設備的技術方案

圖9為現(xiàn)有超高層建筑3D打印設備的技術方案。針對超高層建筑物，可采用附著爬升式3D打印設備，該設備包括附著爬升系統(tǒng)和打印裝置，通過打印預留孔洞或預埋構件作為附著爬升系統(tǒng)的支撐結構，完成爬升打印。

針對異形結構，可采用自爬升式3D打印設備，該設備包括打印裝置、自適應擴展裝置和導軌標準節(jié)提升裝置，通過控制打印頭在環(huán)形平面內的移動進行打印，通過提升裝置吊裝導軌標準節(jié)，實現(xiàn)打印裝置在標準節(jié)上移動，擴展打印范圍。

▲ 圖9  超高層建筑3D打印設備的技術方案

2.2 可與現(xiàn)有造樓裝備集成的3D打印設備技術方案

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

▲ 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)，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)，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打印設備結構統(tǒng)計分析結果，優(yōu)先選擇與造樓裝備集成的打印設備類型為機械臂和塔式，其次是桁架，最后是龍門式。

針對爬升式造樓裝備，可將布料機替換為塔式3D打印設備，也可將布料機替換為機械臂3D打印設備(圖11)，通過連接裝置將帶有柔性導軌的機械臂3D打印設備與造樓裝備集成，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打印設備，不需要模板系統(tǒng)。在結構方面，將現(xiàn)有3D打印設備與造樓裝備集成，需通過連接裝置(圖12)連接；在控制系統(tǒng)方面，需要進行坐標位置的初始化，從而實現(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打印設備技術方案

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

▲ 圖13  新型超高層3D打印設備的技術方案

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

該設備包括導軌組件、打印裝置和提升系統(tǒng)，其應用中，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，進行樓層板的打印；最后，通過提升系統(tǒng)提升導軌組件進行交替爬升，以拓展打印范圍。針對現(xiàn)有3D打印設備多數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打印設備，見圖13(b)。

該設備可移動、可自動布設鋼筋，包括移動集裝箱、連接機構、打印機構、布筋機構等。針對現(xiàn)有塔式3D打印設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打印設備，見圖13(c)。

該設備包括門架、吊臂架、平衡臂架、標準配重組件和液體循環(huán)平衡組件，該設備在打印過程中，可根據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，實現(xiàn)高精度定位和打印建造。

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

2.4 工程應用可行性分析
針對現(xiàn)有超高層建筑結構體系，采用現(xiàn)有3D打印設備工藝及材料，在工程中可實現(xiàn)復雜節(jié)點、異形模板以及裝飾及景觀等非承重結構的打印。研發(fā)了集裝箱式現(xiàn)場3D打印設備(圖14)，可與爬升式造樓裝備集成。

▲ 圖14  集裝箱式現(xiàn)場3D打印設備實物圖

3D打印設備與造樓裝備協(xié)同作業(yè)的工藝為：

造樓裝備施工一定高度的核心筒結構后，通過集成于造樓裝備上的塔吊吊裝3D打印設備至已施工的核心筒結構內部；通過3D打印設備打印核心筒的二次結構；對核心筒二次結構進行安裝。

該工藝解決了采用現(xiàn)有超高層造樓裝備在二次結構施工中存在高空作業(yè)的問題，同時可為機電、電梯等墻體二次結構的自動化施工提供新思路。此外，還可將3D打印技術應用于造樓裝備的核心筒預留孔洞封堵件、導軌墊塊的打印等。

總體而言，盡管未來3D打印技術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打印建筑結構研究。有必要打破傳統(tǒng)鋼筋+混凝土、鋼結構建筑結構設計理念方法，開展適合3D打印的拓撲優(yōu)化結構、功能結構和低層、多層、高層及超高層新型建筑結構研究，以及相應的設計、打印建造等一體化的標準體系研究。

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

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作者簡介

左自波，高級工程師�，F(xiàn)任上海建工集團工程研究總院數字化建造研究室主任，上海市科技專家?guī)鞂＜遥�上海市建筑學會數字建筑分會委員，上海市增材制造協(xié)會專家委員會委員，同濟大學校外導師，上海理工大學碩士生導師，國際電氣電子工程師學會(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字化建造技術研究與應用，致力于讓工程建造更簡單、更舒適、更經濟、更安全、更高效。牽頭或參與了上海建工3D打印科技試驗樓等30余項工程的建設或策劃。主持或參與完成國家級及上海市科研項目10余項。獲授權專利100余項；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，參編標準2部。受邀參加國內外學術會議并作報告10余次。曾入選上海市科技啟明星計劃、飛翔計劃。