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基于3D打印技术的建筑构件深化设计研究 苏志远1，白洁2 （1，上海中建东孚投资发展有限公司 2，中建八局工程研究院） 摘要：3D打印技术是快速成形技术的一种，在建筑设计和施工中应用3D打印技术是一个新的探索。其独特的喷墨状生产技术、工厂预制、现场吊装，对绿色建筑施工理念是新的思维开拓。本文详细解读了3D打印深化设计的各个领域，包括建筑、结构、安装、吊装等。 关键词：3D打印、建筑结构、深化设计 一、3D打印技术概述 1.1 3D打印技术概念 3D打印是快速成形技术的一种，它运用粉末状金属或其它材料，通过一层又一层的多层打印方式，来构造零部件。模具制造、工业设计常将此技术用于建造模型，现在正向产品制造的方向发展，形成“直接数字化制造”。 3D打印技术的行业应用主要分布于消费电子、汽车、医疗、航空航天、建筑、科研等领域。在建筑领域，3D打印技术最初主要用于设计模型的制造，但近些年已经有多位建筑师提出了3D打印实体建筑的构想。荷兰阿姆斯特丹建筑大学的设计师和伦敦的建筑设计工作室设计了3D打印建筑方案，并在许多创意建筑中得到了实现。 1.2 3D打印技术优势 从理论上来说，3D打印技术能够完成任何形式的建筑构件的打印生产，完成其他方式很难建造的高成本曲线建筑，打印出强度更高、质量更轻的建筑构件，完美地实现建筑师对于建筑造型的构想。其次，建筑构件的打印，所采用的“油墨”可以利用多种建筑废料和垃圾，实现废旧材料的再利用，节约建筑成本，减少资源浪费。同时，3D打印技术还能减少现场湿作业的比例，减少传统作业方式造成的环境污染，不需要数量庞大的建筑工人，大大提高了生产效率。另外，3D打印技术不需要使用模板，可以大幅节约成本，并且具有低碳、绿色、环保的特点。 二、工程案例 某住宅小区内商业及公建配套用房工程，为框架结构形式，设计使用年限50年，建筑地上3层，建筑高度11.7m，首层层高3.9m，二层、三层层高为3.6m，总建筑面积1615.62m2。 图1 项目设计效果图 该建筑物外墙填充墙及+0以下内墙采用小型混凝土空心砌块，内墙+0以上为蒸压轻质加气混凝土砌块，外墙采用40mm厚无机保温砂浆。 三、深化设计研究 针对该项目的特点，结合现场施工条件，考虑到在国内是第一次采用3D打印技术建造功能齐全的实体工程，需仔细研究适合3D打印建造的构件范围。最初，设想将框架结构的框架柱和外围护墙体采用3D打印方式建造。 图2 3D打印构件墙体平面布置图 图3 3D打印构件框架柱平面布置图 框架柱构件打印的基本理念是：框架柱的外壳采用3D打印技术在工厂生产好，运输至工地，待钢筋绑扎完成后吊装装饰外壳套入预先绑好的钢筋，做好固定支撑，浇筑混凝土。 图4 3D框架柱立面图 图5 3D框架柱结构图 此技术的难点在于3D打印的外壳浇筑混凝土时，若采用模板固定则耗人工、材料，违背3D打印的技术理念；如不固定，在浇筑混凝土过程中容易导致外装饰壳破损，柱外壳修复较难。同时，3D框架柱在施工时，需先将柱钢筋绑扎完成，再吊装柱壳就位，吊装难度大，技术要求高。本着简单、实用、高效的思想，最终否决了这一方案，取消了框架柱外壳打印设想，仅采用外围护墙体为3D打印构件的实施方案。 为保证3D打印技术方案在项目中的顺利实施，开展了针对3D打印设计、生产、施工的深化设计，做了大量的技术研讨和设计工作。分别对建筑深化设计、结构深化设计、安装深化设计和吊装深化设计。 3.1 建筑深化设计 3.1.1 墙体（不含门窗）构件深化设计 图6.1墙体（不含门窗）立面图 图6.2墙体（不含门窗）立面深化图图6.3墙体（不含门窗）A-A剖面图 其中，区域A为工厂预留空腔，内贴40mm厚XPS保温板，工地现场浇灌自密实灌浆料；区域B为工厂填充无机保温砂浆材料；区域C为工厂灌注混凝土，内贴40mm厚XPS保温板； 3.1.2 墙体（带门）构件深化设计 图7.1墙体（带门）立面图 图7.2墙体（带门）立面深化图图 7.3墙体（带门）A-A剖面图 其中，区域A为工厂预留空腔，内贴40mm厚XPS保温板，工地现场浇灌自密实灌浆料；区域B为工厂填充无机保温砂浆材料；区域C为工厂灌注混凝土，内贴40mm厚XPS保温板； 3.1.3 墙体（带窗）构件深化设计 图8.1墙体（带窗）立面图 图8.2墙体（带门）立面深化图图8.3墙体（带门）A-A剖面图 区域A为工厂预留空腔，内贴40mm厚XPS保温板，工地现场浇灌自密实灌浆料；区域B为工厂填充无机保温砂浆材料；区域C为工厂灌注混凝土，内贴40mm厚XPS保温板； 3.1.4节能技术解决方案 该项目原节能设计是采用外贴TPS保温板的形式，采用3D打印