3D打印在多层建筑中的应用*
白洁，葛杰，苗冬梅，马荣全
（中国建筑第八工程局有限公司工程研究院，上海200122）
[摘要】近年来3D打印技术的应用已由工业领域扩展到建筑领域，出现了以选择性沉积打印技术为基础的“轮廓工艺”.以及以选择性合打印技术为基础的“黏结工艺”.通过将3D打印技术与传统的配筋确体剪力墙结构体系相结合，提出一种新型的3D打印体系---3D打印配砌体剪力墙体系.将该体系的材料强度与传统砌块进行对比，并根据现有规范计算分析了以该体系建造的示范工程，论证了3D打印配端砌体剪力墙体系的合理性和有效 性，为3D打印在建筑领域的发展和应用做出了有益探索.
[关键词]3D打印：配砌体剪力墙：灌芯：吊装
[文章编号］1002-8498（2015）17-0084-03
[中图分类号】TU741.3 [文献标识码]A
Application of3DPrintingTechnologyforMultistoryBuildings
Bai Jie Ge Jie Miao Dongmei Ma Rongquan
(Engisering Institar of China Constraction EigkaA Eaginering Dinsion Co. Lal. Shonghai 200122 China)
Abstract:3D printing has been applied not only in traditional industry but also in building engineering.Contour technology as well as adhesive technology are two major types of 3D printing technology inventedpu e d e jo e pq q masonry structure system this paper puts forward a new structure system: 3D printing reinforced masonry structure system. The parison of the material strength between 3D printing material and masonry andthe analysis of the new structure system acconding to existing standards and specifications demonstrates therationality and alidity of 3D-printing reinforced masonry stracture system contributing to the applicationof 3D printing in the field of building engineering.
Key words:3D printing;reinforced masonry;grouting;hoists
“轮廓工艺”，以及以选择性黏合打印技术为基础的
13D打印技术概况
体的变革性、数字化增彩制造技术.它将信息、材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.
“轮廊工艺”由美国南加州大学工业与系统工程料、生物、控制等技术融合渗透，将对制造业生产模教授比洛克霍什内维斯提出，其工作原理为在三维 式与人类生活方式产生重要影响.目前3D打印采软件的控制下，利用可x，y，三向运动的机械喷头，按照预先设计好的图纸，将经过特殊配制的配凝土浆体通过喷头挤出并逐层叠加，利用该特种混凝土速毅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（见图1）.
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EnricoDini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（见图2）.
3D打印在建筑领城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
2配筋确体剪力墙体系
配筋砌体剪力墙体系（见图3）是指在确体中设置竖向和水平钢筋并灌芯的结构体系.其中，竖向钢筋插人砌块砌体上下贯通的孔中，用灌芯混摄土
图1轮工艺建筑3D打印
Fig. 1 3D printing for contour process architeeture
Fig. 2 3D printing for bond process architecture 图2黏结工艺建筑3D打印
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配筋翻体剪力墙Fig.3Reinforced masonry shear wall
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.
33D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（见图4），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.
Fig. 4 Analogy between printing masonry and 图43D打印砌体与传统砌块翻体类比traditional block masoury
该体系利用3D打印轮廊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（见图5），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（见图6），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53D打印配筋砌体剪力墙配Fig.5 Reinforcement of reinforced masonry shear
d
图63D打印配筋砌体剪力墙边缘构件配Fig.6 Component reinforcement at reinforced masonry sbear wall edge for 3D printing
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f.=9.6MPa.根据（砌体结构设计规范》CB50003一2011，MU20单排孔混凝土砌块当砂浆强度等级为
43D打印示范工程
1）分块方法
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，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.
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.
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、《砌体设计规范》GB50010-2010. 结构设计规范》GB50003-2011以及《混凝土结构
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》中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12x2.8=33.6m<60m，故最大高度满足规范要求.根据《建筑抗震设计规范》中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10.5=3.2<4.5.故最大高宽比满足规范要求. 最大高宽比为4.5.本试验楼的高宽比为12×2.8/ 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6度时，规则的砌体结构房屋允许不进行抗震验算， 体结构设计规范》中第10.1.7条，当抗震设防烈度为但应符合《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. 根据3D打印机的打印尺度限制与吊装设备要 2）吊装方法 3）灌芯方法 5结语 参考文献： Mb20时的抗压强度为f=6.3MPa.因此，该3D打求，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. 吊钩，利用汽车式起重机吊装墙体（见图7）. 在3D打印墙体的局部孔洞内预先灌芯并预理 图73D打印配施砌体剪力墙预埋吊点Fig.7Pre-embedded hoisting point of reinforced d 由于3D打印墙体的灌芯孔洞尺寸小，深度大（层高2.8m），灌芯后振接难度大，因面选择自密实混凝土进行墙体灌芯浇筑. 3D打印配筋砌体剪力墙体系利用3D打印的快速成型工艺，借鉴配筋砌体剪力墙的结构体系，依据现有的结构设计规范进行设计，实现了传统结构体系的新突破，为3D打印技术在建筑领域，尤其依托，建造了世界上最高的3D打印建筑，在建筑3D 是高层建筑领城的应用指明了方向.以该技术为打印领域实现了里程碑式的跨越，为3D打印建筑的进一步发展莫定了坚实的基础. [1]朝迪利香森，将尔也库曼，3D打印从想象到现实[M].赛迪研究院专家组译.北京：中信出版社，2013.[2]马教提，蒋正武，苏字峰，3D打印混视土技术的发展与展塑 [J].混土世界 2014（7）：41-46.[3]中国建筑东北设计研究院有限公司，CB50003-2011确体结[4]苑振芳，《配筋砌体结构设计规范）（ISO9652-3）介绍[J]. 构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.建筑结构 2002 32（8）：69-73 25.[5]中国建筑科学研究院，GB50010-2010混覆土结构设计规范 [S].北京：中国建筑工业出版社，2014.[6]中国建筑科学研究院.CB50011-2010建筑抗震设计规范[7]肖绪文，田伟，苗冬梅，3D打印技术在建筑领域的应用[J]. [S].北京：中国建筑工业出版社，2010.施工技术，2015 44（10）：79-83.[8]杨建江，陈响，3D打印建筑技术及应用趋势[J].施工技术， 2015 44(10) ;84-88 121.[9]王丽率，徐蓉，西冬梅，等，苏州某试验楼项目3D打印实体建筑施工技术研究[J].施工技术，2015，44（10）：89 91 100.
