13D列印技術在建築領域的應用概況
3D列印技術是一種通過連續的物理層疊加、逐層增加材料來實現三維實體的先進製造技術，具有數字化、網路化、個性化和定製化的特點。3D列印技術和普通列印過程非常相似，可以預先在計算機設計好產品的資訊，再交由機器列印，不同之處在於，普通油墨變成了塑料、纖維、粉末等材料，通過巨型噴嘴噴出，層層疊加形成一個實體產品。3D列印技術在航空航天、汽車、醫療器械和模具製造等行業運用成熟，並逐步運用於建築領域。3D列印建築尚處於摸索階段，美國南加州大學工業與系統工程教授比洛克霍什內維斯提出輪廓工藝3D列印技術，設計的3D印表機像一臺懸停於建築物之上的橋式起重機，兩邊是軌道，中間的橫樑是列印頭。該工藝按照預先設計的CAD圖紙，通過計算機操控巨型噴嘴進行x軸和y軸的列印工作，逐層打印出牆壁和隔間等，最後完成整棟房子的基本構架，最後由人工完成水電、供熱管道、門窗和吊頂等的安裝(見圖1)。在國內，上海盈創建築科技有限公司自主研發了3D列印裝置、列印油墨和連續列印技術，利用建築物廢料加上水泥、纖維、有機黏合劑等製作的“油墨”進行逐層噴射、迴圈列印、快速凝固成型，從而列印房屋。盈創公司運用該技術在上海青浦打印出了10棟實體房屋(見圖2)，該批建築所用材料來自於建築廢料，全過程由計算機操作，大大降低了建築成本。青浦3D列印房屋的建造是3D列印建築技術向前邁出的重要一步，但是由於目前3D列印建築材料強度較低，列印質量不穩定，牆體脆性較大，易開裂等缺陷，在一定程度上限制了其列印高度，目前國內外列印的建築大多為1～2層。為研究3D列印建築技術，並保證其安全性，推廣3D列印建築的應用，同濟大學、中國建築第八工程局有限公司和盈創公司開展了一系列的3D列印建築材料和結構體系的研發，並在蘇州建造實體建築。本文首先介紹該3D列印配筋砌體試驗樓專案的概況和設計方案，然後對施工中遇到的難點做簡要分析總結，為下一步3D列印實體建築的深化設計和施工提供參考。
2工程概況
3D列印配筋砌體試驗樓專案位於蘇州市工業園區，試驗樓佔地面積150m2，底層為14.2m×10.1m的規則矩形，筏板基礎，按12層住宅樓研發設計，實際列印高度15.3m，層高為2.8m，地上共5層，地下1層，建成後如圖3所示。3D列印多層實體建築在國內尚屬首例，沒有特定的設計規範可以選用，作為科研嘗試，設計人員在參照了現有的結構體系和相關設計規範後，提出了創新結構體系———3D列印配筋砌體剪力牆結構。該試驗樓在3D列印牆體內佈置豎向和水平分佈鋼筋，澆築柱芯混凝土;樓面板為100mm厚、雙層雙向配筋的現澆混凝土板;每層設定與樓板整澆的現澆混凝土圈樑，兼作窗洞口處過樑。該體系豎向荷載由樓板傳遞給牆體，水平荷載通過樓板按各牆體剛度分配給牆體，再由牆體傳遞給基礎，實現牆體和樓面板的共同受力。
3工程特點和難點
3D列印多層實體建築沒有先例可循，所有的縱橫牆體在工廠列印後，運送到現場進行拼裝。因此如何劃分牆體構件、如何保證牆體自身的.強度和剛度、如何實現牆體與樓板的可靠連線是需要重點解決的問題和難點。1)為了解決最初牆體自身剛度不足、牆身易開裂等問題，深化設計時在原來中空的牆體內部增設水平向桁架，且牆體在列印時沿高度方向增設水平鋼筋網片。施工時在房屋轉角部位、主要受力部位和區域性需加強部位均增設芯柱，布豎向插筋，孔洞內澆築C20柱芯混凝土。2)為避免牆體出現水平向拼接縫影響結構的整體性，每層牆體在高度方向一次列印成型。預留的豎向拼接縫避開房屋轉角部位、主要受力部位和區域性需加強部位，每層牆體按平面位置和尺寸細分到27種構件塊型，並按一定順序編好號(見圖4)。3)為增強3D列印牆體與圈樑、樓板的連線，設計提出縱向貫通配筋，施工時在牆體孔洞內插入豎向鋼筋，並與圈樑鋼筋綁紮固定。豎向鋼筋應與基礎或基礎樑中的預埋鋼筋連線，上下層的鋼筋可在樓板面上搭接，搭接長度≥40d。牆體構件豎向孔洞內灌注混凝土，使混凝土灌滿牆體構件內所有孔隙，達到孔洞內的現澆混凝土與鋼筋共同受力，使其結構受力機理類同鋼筋混凝土剪力牆體系。4)由於牆體在每層豎向一次列印成型，再往牆體孔洞內澆築灌芯混凝土。牆體高2.8m，孔洞直徑過小，施工中振搗難度大，最終選用自密實混凝土進行牆體灌芯澆築。
4主要施工方法
1)施工準備施工準備中很重要的一項內容就是編制牆體平、立面排塊圖，不僅需要根據設計圖確定各牆體構件的尺寸和配筋，且在編制時宜與水電管線專業人員共同商定。牆體排塊圖編制好後，交付3D印表機一次列印，牆體做好編號並運至施工現場堆放整齊，堆放場地應堅實、平整、乾燥，保證牆體構件堆放平穩。2)基層表面清理牆體吊裝前，應先進行基層表面的清理工作，清除灰渣、碎石等雜物，牆體下部樓面需鑿毛，校核預留鋼筋的位置，設統一標高控制線，標明圈樑、過樑等的尺寸標高。安裝3D列印牆體構件時，必須坐漿墊平，鋪漿厚度應≥20mm。3)牆體構件吊裝、定位、臨時固定牆體在起吊和搬運時，必須平穩以免損壞牆身，嚴禁在場地直接拖拉牆體。牆體構件按施工圖紙及編號吊裝到指定位置，讓底部的預留鋼筋穿過牆體構件孔洞，並做好牆體構件的臨時固定。實時複核牆體的垂直度、牆身長度;吊裝完每一樓層牆體後，校核牆體的軸線尺寸和標高;允許範圍內的軸線及標高的偏差，可在樓板面上予以校正。施工中發現有明顯列印誤差的牆體，應及時複核校正，必要時重新列印牆體構件，避免現場切割牆體或填補。4)模板支設，綁紮鋼筋等支設圈樑、過樑、樓板的模板，施工中應防止雜物散落在牆體孔洞內。綁紮鋼筋並按設計插入豎向鋼筋，矯正豎向插筋的位置並與圈樑鋼筋籠綁紮固定。在牆體拼接縫兩側支設模板，模板必須緊貼牆面，並將拼接縫封堵嚴密，支撐牢固，避免灌芯混凝土澆築時出現爆漿的情況。為避免澆築時汙染牆面，灌芯混凝土澆築前，澆築部位牆面用塑料布覆蓋。5)混凝土澆築牆體柱芯混凝土澆築時，由澆築工人控制下料、逐孔澆築，柱芯所用混凝土為自密實混凝土，每次澆築高度控制在半個樓層高(1.4m)。澆築至牆體頂部時，預留50mm高度和圈樑混凝土一起澆築，以加強牆體構件與混凝土圈樑的連線。圈樑、過樑和樓板混凝土澆築時，混凝土坍落度宜＞200mm。6)清理牆體表面拆模後對牆面進行必要的清理，鑿除牆體拼接縫處外溢的砂漿並做修補。7)檢查驗收參照《砌體結構工程施工質量驗收規範》GB50203—2011中配筋砌體工程的相關規定對試驗樓專案進行驗收，該3D列印配筋砌體試驗樓符合相關驗收標準。
53D列印實體建築需注意的問題
1)3D列印牆體構件施工過程中，需要指定專人負責牆體的進場、堆放及吊裝定位時的核準，以保證牆體對號入座並能及時糾偏。將牆體編號、對應位置、標高和牆身垂直度作為核對的基本內容，同時，在牆體構件吊裝和定位時要充分注意預留鋼筋的位置，保證預留鋼筋與構件孔洞一一對應。2)施工中發現部分3D列印牆體構件存在明顯的列印誤差，出現牆體截面高低不平整、牆體過長或過短需要現場切割或填縫等問題，造成施工中上下層牆體定位困難、混凝土澆築時漏漿等現象的發生。尤其需要注意的是樓梯間兩側牆體與混凝土圈樑的位置關係，在上下層牆體構件出現列印誤差時，需要及時糾正，保證牆體構件與混凝土圈樑、板外緣在一個豎向平面內。牆體構件出現微小偏差時，施工中可以採取微調或修補的措施，若偏差較大，則需要根據現場情況修改上層牆體構件尺寸，重新列印。3)3D列印牆體時根據建築設計圖紙及結構設計圖紙，預留了門窗洞口，但是未考慮其他專業孔洞尺寸，施工中發現其他專業開孔洞時極易造成開洞面積過大，牆體破損，後期需要修補，費時費工且影響牆體美觀。建議其他專業孔洞尺寸大於600mm×600mm的3D列印牆體時應預留孔洞，介於600mm×600mm與300mm×300mm之間的在牆體灌芯混凝土澆築前先切割孔洞，洞內填塞塑料泡沫塊防止澆築時漏漿，小於300mm×300mm的孔洞及線槽可由專業施工隊伍根據操作規程進行開鑿。
6結語
3D列印建築材料可以採用建築廢料進行加工，列印過程不產生建築垃圾，可實現個性化製作、一次性成型、工期短、經濟環保等目標。但3D列印實體建築仍處於起步階段，面臨很多瓶頸和挑戰。列印裝置的研發、3D列印建築材料的改進與完善、適用於3D列印技術的建築結構體系的研發、施工關鍵技術的研究、驗收標準等都是尚待探索和解決的問題。蘇州試驗樓在參照國內現有規範、標準，結合現有3D列印技術提出的3D列印配筋砌體剪力牆結構在一定程度上解決了結構體系適用性的問題，施工過程牆體構件的劃分、牆體與樓面板的連線處理等技術的研究都給3D列印實體建築積累了寶貴的經驗，該試驗樓的成功建造突破了3D列印建築技術只能建設3層以下房屋的瓶頸，引領著3D列印建築向高層、超高層攻關。