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(jié)構》雜志社

收集了國內(nèi)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(jié)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(jié)構,、復雜模板及節(jié)點、輕質(zhì)承重結(jié)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(jié)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(nèi)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(shù)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(jié)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(zhì)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(jié)構形式

建筑3D打印設備結(jié)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(jù)是否可移動，設備分移動式和固定式2種,；根據(jù)應用場地,，設備可分為現(xiàn)場打印和室內(nèi)打印2種。

▲ 圖1  建筑3D打印設備結(jié)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(nèi)打印,，機械臂和桁架式適用于現(xiàn)場或室內(nèi)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(shù)可移動，少數(shù)固定,，不可移動,；桁架式多數(shù)不可移動，少數(shù)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(jié)構靈活,，適用于超大型結(jié)構的打印,，定位精度適中；龍門式由于結(jié)構自重較大,、靈活性較低,，適用于大型結(jié)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(jié)構自重和撓度的限制,，適用于中型結(jié)構的打印，定位精度低,；機械臂由于靈活性高,，適合小型結(jié)構的打印，也可增加導軌或定位機構實現(xiàn)大型結(jié)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(jié)構：例如,，通過打印復雜鋼結(jié)構節(jié)點模具進行鑄造,，得到鋼結(jié)構節(jié)點，也可直接打印鋼結(jié)構節(jié)點(圖3(a))[1-2],；通過打印異形結(jié)構模板進行澆筑,，實現(xiàn)異形結(jié)構建造。也可將3D打印直接應用于裝飾結(jié)構和景觀結(jié)構(圖3(b))等異形非承重結(jié)構[3]的建造,。

▲ 圖3  3D打印節(jié)點和非承重結(jié)構

第2階段,，將3D打印應用于打印輕質(zhì)承重結(jié)構：豎向功能構件和水平輕質(zhì)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(zhì)墻體、保溫隔熱墻體和異形輕質(zhì)柱等(圖4),；水平輕質(zhì)構件包括輕質(zhì)拓撲優(yōu)化梁,、輕質(zhì)板等(圖5)，水平結(jié)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(zhì)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(jié)構,，可采用固定式3D打印設備,，該設備包括打印裝置和驅(qū)動導向裝置，通過打印裝置沿著驅(qū)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(jié)構施工且無需附著已打印結(jié)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(qū)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(jié)構,，完成爬升打印。

針對異形結(jié)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(nèi)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(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),，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(jié)構統(tǒng)計分析結(jié)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(jié)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(diào)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(jié)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�,。蛔詈�,，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(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(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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)構內(nèi)部；通過3D打印設備打印核心筒的二次結(jié)構,；對核心筒二次結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)構研究,。有必要打破傳統(tǒng)鋼筋+混凝土,、鋼結(jié)構建筑結(jié)構設計理念方法,，開展適合3D打印的拓撲優(yōu)化結(jié)構、功能結(jié)構和低層,、多層,、高層及超高層新型建筑結(jié)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(jié)構,、地下結(jié)構,、一體化結(jié)構、拆除改造,、多尺度結(jié)構,、多材料結(jié)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(zhì)量檢測和調(diào)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。

參考文獻
[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,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.超大尺度高分子復合材料3D打印技術研發(fā)與應用[J].施工技術(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打印機及其打印方法：CN103786235A [P].2016-01-27.


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(shù)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(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(shù)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(jīng)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(nèi)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,。