一种3D打印编织一体化成型的复合板的建造方法及复合板与流程

本发明涉及建筑结构技术领域，特别涉及一种3d打印编织一体化成型的复合板的制备方法及复合板。

背景技术：

由于现有打印材料的强度和耐久性一直亟待提升，当前3d打印技术也缺乏基体与传统增强材料，如钢筋的组合形式，导致这些打印建筑构件如楼板受限于打印材料性能，多为小空间小跨度的小型民用建筑。要增大结构跨度和抗力，需要在打印楼板中有效引入增强材料。

板外形扁平，宽厚比大，是最常用的建筑构件之一。板的建造需要大量模板、脚手工程，现代结构中大量板材需要预制加工，如果可以采用3d打印技术免模施工，将带来施工程序上的重大改进。

采用现有3d打印材料3d打印建筑无需模具，增材自制，快速方便；但这些打印材料多为脆性材料，抗拉强度较低，无法满足楼板构件的抗弯与抗拉需求，需要与一种柔韧高强，几何可变的材料组合形成强韧的空间网络，才能保障结构在多种使用工况下的承载能力，变形能力和耐久性能。而传统的建筑钢材和复合纤维材料多以筋材形式制造，需要根据设计进行切割，绑扎，定位，形成刚性骨架，施工工序繁杂，难以与现有3d打印技术融合集成。

现阶段公开的3d打印建筑施工方法，如公开号为cn106760532a的中国专利文献公开了一种基于3d打印的建筑物施工方法，公开号为cn105756187a的中国专利文献公开了一种3d打印工艺与混凝土结合的建筑工造、施工方法，都是利用3d打印工艺的形塑能力打印外壳，然后采切割钢筋，绑扎，定位吊装，最后在3d模板里浇筑普通混凝土将二者进行组装，这种建造方式仅仅利用3d打印技术节省了模板工程，没有充分利用3d打印技术形成一体化自动化的智能建造技术，而且这种技术也不适合于厚度较薄的楼板建造。

综上，如何采用现有的3d打印技术和已有的水泥基胶凝材料，与高强高韧复合材料相结合制造板构件是现阶段关键问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种3d打印编织一体化成型的复合板的建造方法，本发明提供的建造方法制备的复合板采用高强线材替代钢筋，减少了建筑施工程序且美化了复合板的空间造型，并有效改善了3d打印基体抗拉、抗剪、抗磨和抗裂性能，大大增强结构构件的断裂韧性和抗冲击性能，提升构件的疲劳性能及其耐久性。

一种3d打印编织一体化成型的复合板的建造方法，复合板包括底板和板肋，包括以下步骤：

(1)选取基本结构构件，空间建模后采用有限元分析，结合应力云图，设定判别域，进行结构空间优化，得到优化后的复合板结构；

(2)根据优化后的复合板结构的拉应力分布、以及复合板的受力阈值为依据确定线材的编织范围，并在编织范围设置编织定位点；根据复合板的承载能力确定线材的编织用量；

(3)根据步骤(2)得到的编织范围和编织用量确定编织流程，并与基体打印流程共同组合设计，形成打印编织一体化流程；

(4)配制3d打印材料；

(5)根据步骤(3)中的打印编织一体化流程进行3d打印基体和编入线材，得到复合板。

在步骤(1)中，空间体型优化的方法选自双向渐进优化算法、体型拓扑优化，所述的体型拓扑优化选自均匀化方法、变密度法、渐进结构优化法(eso)或水平集方法。

在步骤(2)中，所述的线材在底板基体上的分布参照钢筋混凝土板配筋量的计算方法，用线材抗拉强度代替钢筋屈服强度进行计算得到。

在步骤(2)中，设置编织定位点是为了实现线材的立体编织，保障编织精度和结构受力安全，结构造型更为合理，设计准确实施。

在步骤(3)中，所述的打印编织一体化流程为：

(3-1)打印底板的第一层基体；

(3-2)在编织定位点喷射螺钉定位后编入线材，编入的线材缠绕在喷射的螺钉上；

(3-3)重复步骤(3-1)-(3-2)，逐层打印底板上的基体和编织线材，形成底板；

(3-4)打印板肋的第一层基体；

(3-5)在编织定位点喷射螺钉定位后编入线材，编入的线材缠绕在喷射的螺钉上；

(3-6)重复步骤(3-4)-(3-5)，逐层打印板肋上的基体和编织线材，形成板肋；得到复合板。

3d打印材料具有快速成型和便捷施工的特点，与普通水泥基材料相比具有较高的强度和塑形能力。

所述的3d打印材料选自水泥基材料、石膏材料、塑料或尼龙材料中一种或至少两种的组合。

所述的3d打印材料还包括增强组分，所述增强组分选自纤维聚合物、膨化微珠、珍珠、低聚物、石墨稀土、纳米材料、树脂或橡胶中的一种或至少两种的组合。

所述的线材选自钢绞线、纤维复合线材或纳米线材中的一种或者至少两种的组合。采用线材代替钢筋，轻质高强、几何可变、多股线材绞绕编织，具有较高的表面摩擦系数，与基体一体化成型协同受力，保障强韧性新型结构的力学性能、抗震性能、疲劳性能和耐久性。

在本发明中，线材又称为绳材。

本发明提供的建造方法可以根据不同结构区域和功能调整材料，例如外墙板采用防晒耐磨，保温隔热的3d基体材料；楼板采用轻质高强，高韧抗折的基体材料。同时也可以根据不同功能需求进行结构体型优化，例如单向传力为主的楼板选用鱼骨和鳞片造型，双向传力的楼板选用蜂巢和米格造型，达到丰富可变的空间造型，实现力与美的统一。

本发明的技术效果具体体现在：

1.在建筑工程中采用3d打印编织技术代替传统建筑建造施工中的模板工程和钢筋笼绑扎工序制造板式构件，可用于楼板、承重板材和保温隔热板材。

2.采用3d打印基体替代传统混凝土，采用高强线材替代钢筋，采用空间打印编织成型技术代替传统建筑结构工艺，形成空间受力体系，不仅减少了建筑施工程序，降低了劳动强度，而且美化了复合板的空间造型。

3.高强线材的柔性编织增强形式，既可以自成体系，也可以与现有筋材进行组合设计施工，有效改善了3d打印基体抗拉、抗剪、抗磨和抗裂性能，大大增强结构构件的断裂韧性和抗冲击性能，提升构件的疲劳性能及其耐久性，使3d打印建筑优势全面凸显，不再局限于小型建筑结构。

4.采用建筑板材体型空间优化设计，合理选择结构形式，采用空间定位，将高强线材一体化编织进入打印基体形成强韧复合板材，使建筑物各个部位既能达到结构力学的不同要求，又可以在安全可靠的基础上可达到经济美观，造型艺术。

5.大型空间建筑板材，可以分区域单独打印编织局部，再组装成为整体，采用预设榫接构件和后张预应力工艺加强整体性。该新型强韧构件也可与传统建筑结构组合，具有灵活多变的兼容性和普适性。

附图说明

图1为实施例1中经体型优化后的两款复合板的空间造型的结构示意图；

图2为实施例1中荷载作用下第一款复合板中正应力和主拉应力分布图；

图3为实施例1中复合板的打印编织流程图；

图4为实施例1中复合板的打印编织过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

(1)选取基本结构构件，空间建模后采用有限元分析，结合应力云图，设定判别域，进行结构空间优化，得到优化后的复合板结构。

楼面板尺寸及型态：根据建筑构造要求设定楼面板1尺寸为2*6*0.07m，板肋2厚度为0.06*0.04m。满足此要求的板有多种造型，图1显示了经体型优化后的两款空间造型较好的板。建立板的空间模型，基于有限元受力分析发现图1中第一款空间板的应力分布更合理、变形相对较小，选择图1中的第一款空间板作为打印编织对象的复合板结构。

(2)根据步骤(1)优化后的复合板结构的拉应力分布(如图2所示)、以及板的受力阈值为依据确定加强线材的编织范围；根据复合板的承载能力确定线材的编织用量。

具体地，编织范围和编织用量可以参照钢筋混凝土板配筋量的计算方法。本实施例中的线材为钢绞线。

(3)根据步骤(2)得到的编织范围和编织用量确定编织流程，并与基体打印流程共同组合设计，形成打印编织一体化流程。

具体地，打印编织一体化流程如图3所示。

具体步骤为：

(3-1)打印底板的第一层基体；

(3-2)在编织定位点喷射螺钉定位后编入线材，编入的线材缠绕在喷射的螺钉上；

(3-3)重复步骤(3-1)-(3-2)，逐层打印底板上的基体和编织线材，形成底板；

(3-4)打印板肋的第一层基体；

(3-5)在编织定位点喷射螺钉定位后编入线材，编入的线材缠绕在喷射的螺钉上；

(3-6)重复步骤(3-4)-(3-5)，逐层打印板肋上的基体和编织线材，形成板肋；得到复合板。

(4)配制3d打印材料，3d打印材料为水泥基材料。

(5)根据步骤(3)中的打印编织一体化流程进行3d打印基体和编入线材，得到复合板。打印编织复合板的过程如图4所示，a为打印起始点、b为编织起始点、c为线材、d为射钉，箭头方向为打印方向。

在本实施例中，线材为钢绞线。

上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡是依据本发明的技术和方法实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术和方法方案的范围内。