一种用于3D打印混凝土结构的整体装配式配筋打印建造方法

一种用于3d打印混凝土结构的整体装配式配筋打印建造方法
技术领域
1.本发明属于智能建造和土建施工技术领域，特别涉及一种用于3d打印混凝土结构的整体装配式配筋打印建造方法。


背景技术：

2.3d打印技术因为免模施工，自动化施工、数字建造的优势，凸显了强大的技术优势，可以实现机械化自动化建造工程。现有的3d打印混凝土材料较多，如cn201910134165、cn20 1810913908、cn201910133642等。由于混凝土材料具有抗拉强度低，容易脆性破坏等缺点。采用刚性骨料和刚性纤维增强混凝土难以实现跨越打印层条的连续有效增强，采用与打印流程和工艺兼容的柔性连续配筋已经被证实承载力提升效率有限，刚度提升不足，难以保障各个工况下的结构安全性，因此，必须建立与现有钢筋混凝土传统钢筋笼形式刚性配筋一致、并与3d打印混凝土建造方式兼容的安全可靠的装配化建造模式。
3.cn109680954a提出了一种层间加强3d打印混凝土结构及其施工方法，采用层间放置搭接短筋的方式进行配筋增强。虽然这种方式可以灵活便利，与打印工艺兼容，但短筋布置在层间缺陷区域，无法跨越层间进行结构增强。cn 201911213559.1提出了一种用于3d打印混凝土结构的层间嵌钉方法，利用穿透层间的嵌钉将层间布设的短筋增强锚固粘结，保障了构件增强的有效性。但这两种技术所形成的配筋都是一种接触搭接，并不能形成连续刚接的增强骨架，在钢筋混凝土结构的承受较大荷载或者经受地震、冲击等荷载时，很难保障增强骨架的刚度和强度以及与混凝土结构的协作性能。如何保障配筋骨架的空间制作和整体刚性连接，又可以与3d打印混凝土的制作流程兼容形成承载能力强，施工效率高，加工精度高的装配式建造体系，是现阶段3d打印配筋混凝土结构建造技术的技术关键和难点问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种用于3d打印混凝土结构的整体装配式配筋打印建造方法，采用空间多向连接套管可在混凝土结构打印过程中实现层间、条间的空间多向配筋和整体连接，根据打印流程定位定时置入刚性筋材节段，采用具有嵌扣功能的多向套管连接成型整体性良好的空间配筋结构，形成可以与3d打印建造一体化的数值化装配化施工技术。
5.为了实现上述目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
6.一种用于3d打印混凝土结构的整体装配式配筋打印建造方法，所述方法包括：
7.(1)选取结构构件，进行力学分析，根据结构构件承载力极限状态下应力分布和大小确定筋材的材质、总量、布置位置和强度，以及连接套管的强度；
8.(2)根据正常使用承载力状态下应力强度比确定筋材的直径、表面形态、与混凝土层外边缘距离和间距；根据筋材的交接点位置和交叉数确定连接套管的位置、数量和形式；
9.(3)根据结构构件空间外型确定混凝土、筋材和连接套管的打印流程，并根据打印
流程编辑筋材和连接套管的定时定位联结和推送程序；
10.(4)沿打印流程挤出3d打印材料形成混凝土层，并根据定时定位联结和推送程序将筋材和连接套管放入未硬化的混凝土层中并进行组装形成空间骨架，逐层建造后叠加、硬化成型后一次性形成空间多向连接套管整体配筋增强的3d打印混凝土结构。
11.其中，在步骤(2)中，表面形态是指带肋、光圆或者喷砂等表面形态；当确定步骤(2)中的直径后，根据总量可确定筋材的数量。在步骤(2)中，连接套管的形式是指单向连接套管或多向连接套管，多向连接套管为双向连接套管、三向连接套管、四向及以上连接套管。
12.所述筋材的直径与混凝土层外边缘不少于2mm净距。所述连接套管的直径大于筋材的直径1
‑
2mm；所述连接套管的强度大于筋材的强度。
13.所述筋材的材质选自钢材、合金、纤维复合材料或纳米刚性材料中的一种或两种及以上的组合。在本发明中，合金是指由两种或两种以上的金属与金属或非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质。
14.所述3d打印材料选自水泥基材料、石膏材料或尼龙材料中的一种或两种及以上的组合。
15.所述3d打印材料还包括增强组分，所述增强组分选自各类纤维及其聚合物、膨化微珠、中空微粒或纳米材料中的一种或两种及以上的组合。
16.在步骤(4)中，筋材与连接套管的连接方法为：在平行打印方向上，3d打印材料在打印基体时一体化插入筋材并与连接套管连接；在垂直打印方向上，在3d打印混凝土凝固之前竖向插入筋材并嵌入连接套管固定，形成空间增强骨架。
17.在垂直打印方向上，连接套管的长度至少大于单层混凝土厚度2mm。
18.所述连接套管采用了轴向固定式弹簧夹头，包括夹头、简夹、筒夹、螺母和螺钉，筋材通过夹头插入至主轴锥孔中，简夹轴向固定就旋紧螺母，迫使筒夹收缩将筋材节段夹紧，螺钉用以防止简夹转动。
19.本发明提供的打印建造方法利用筋材和多向空间套管形成整体骨架增强混凝土结构强度和变形能力。
20.在进行3d混凝土结构打印之前，预先将刚性配筋材料根据数值模型分节段预制备料，在打印过程中通过本发明设计的带有内置楔形锚扣的空间多向连接套管实现单向，双向，多向的空间可靠连接。
21.为保证具有足够的保护层厚度和耐久性能，预留出足够的保护层厚度后开始布置配筋。针对3d打印混凝土最常见的轮廓工艺平铺叠浇打印方式，根据打印层出料口径选择筋材直径，直径大于单层混凝土打印高度会影响打印头行进过程。根据3d打印结构空间受力确定各向配筋数量，根据结构构造要求确定配筋的空间连接位置和方式。选择标准为筋材与层条边缘不少于2mm净距。以现阶段3d打印混凝土结构常用层厚为10mm为例，增强筋材直径宜选择3～6mm。套管直径大于增强筋材1
‑
2mm，套管内设置有向固定式弹簧夹头，在筋材推进时可实现有效嵌固。可根据结构受力优化套管长度。垂直打印条带方向的套管长度应大于单层混凝土厚度2mm，以保证穿透打印层，完成有效连接和层间有效嵌固。
22.连接套管材料强度大于筋材强度，布设间距根据空间受力验算和筋材打印设备参数进行设定。
23.完成每层打印层条后，沿结构主拉应力迹线布置配筋和套管。打印时套管布置在层间，垂直嵌插入湿态混凝土层条。继续打印下一层，直到完成整体打印、配筋和连接。
24.本发明由于采用以上技术方案，使其具有以下有益效果：
25.1.采用本文提出的用于3d打印混凝土结构的整体装配式配筋打印建造方法，有效解决了传统混凝土结构难以数字化装配化建造，3d打印混凝土结构难以增强并形成空间刚性增强骨架的技术难题。
26.2.根据3d打印混凝土层叠制作工艺设计了定时定位空间连接程序，可适应多种空间结构造型的混凝土打印流程，并保障增强骨架的空间整体性和有效性。
27.3.采用本文提出的用于3d打印混凝土结构的整体装配式配筋打印建造方法，提供了较大的空间承载能力，避免结构在打印及加载过程中发生剪切破坏。由于层间缝隙和条间缝隙的存在，3d打印混凝土整体性不如模板浇筑的混凝土，采用平铺、叠浇打印的混凝土梁在打印和加载过程中有可能会发生沿层间面劈裂的破坏模式，空间多向连接套管有效嵌固了相邻层间面，提高了打印结构的空间整体性。
28.4.本文中提出的用于3d打印混凝土结构的整体装配式配筋打印建造方法，对打印设备，打印流程，打印工艺和增强筋材具有普便适用性。打印成型的空间刚性骨架与传统建造方法形成的钢筋骨架接近，其设计计算方法与现有设计规程理论体系一脉相承，具有高度的工程适用性。
附图说明
29.图1为连接套管的结构示意图；
30.图2为连接套管内部嵌扣结构示意详图；
31.图3为3d打印混凝土结构整体装配式配筋结构的打印建造流程图；
32.图4为连接套管连接筋材增强梁式构件的结构示意图；
33.图5为连接套管连接筋材增强板式构件的结构示意图；
34.图6为连接套管连接筋材增强柱式构件的结构示意图；
35.图7为连接套管连接筋材增强梁式构件的打印建造工序示意图；
36.图8为连接套管连接筋材增强板式构件的打印建造工序示意图；
37.图9为连接套管连接筋材增强柱式构件的打印建造工序示意图。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
39.本发明提供的3d打印混凝土结构整体装配式配筋结构的打印建造方法的流程为：3d打印装置根据预设结构空间造型分层打印建筑物构件或者功能辅件，在采用3d打印材料空间打印建筑基体的同时，将筋材按定时定位联结和推送程序植入其中，通过连接套管的嵌扣和锚固在筋材交界处进行固定，从而形成稳定的空间骨架对结构整体具有支撑作用。该建造方法可适应多种打印流程和空间造型。通过打印基体挤压和水化硬化，形成协同受力，一致变形的空间强韧结构，可具有更高的承载能力，变形能力，多向抗裂能力，满足结构功能需要。
40.本发明中的连接套管如图1所示，图1中的a、b、c、d和e分别为单向连接套管、双向
连接套管、三向连接套管、四向连接套管和五向连接套管，r为筋材；其内部结构如图2所示，筋材r通过夹头1插入至主轴锥孔中，简夹3起轴向固定的作用，固定后旋紧螺母2，其迫使筒夹4收缩将筋材节段夹紧，螺钉5用以防止简夹转动。反转螺母，简夹弹开，松开筋材节段。
41.本发明提供的3d打印混凝土结构的整体装配式配筋打印建造方法如图3所示。
42.实施例1
43.以图4和图7(beam
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梁，r
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增强筋材，a
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单向连接套管，m
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施工机械手臂，p
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打印混凝土，c
‑
三向连接套管，x
‑
打印方向，z堆叠方向)梁式构件为例，进行打印建造分步骤说明：
44.1、根据结构功能要求确定结构形式和空间结构。梁式构件承受较大弯矩，梁底产生较大拉应力，需要布置较多筋材以满足结构受力需求。对结构构件进行力学计算分析，根据结构承载力极限状态和正常使用极限状态分别确定加入该结构构件中的材质、总量、布置位置和强度以及直径、表面形态、与混凝土层外边缘距离和间距；并根据筋材的交接点位置和交叉数确定连接套管的位置、数量和形式。在本实施例中，采用的连接套管的形式包括单向连接套管和三向连接套管。
45.2、根据本实施例中梁式构件的总体结构和打印设备确定混凝土、筋材和连接套管的打印流程，并根据打印流程编辑筋材和连接套管的定时定位联结和推送程序。
46.3、配制3d打印材料，根据打印流程，沿x方向打印，沿着z方向堆叠，逐层打印梁式构件结构，打印头旁配有一个机械臂m携带有筋材节段r和c
‑
三向套管，随打印路径进行编辑，机械臂m根据定时定位联结和推送程序夹取筋材节段r、a
‑
单向连接套管和c
‑
三向连接套管并放入还未硬化的混凝土中并进行组装。
47.4、3d打印基体与套管连接的筋材在上层重力作用下粘结固化成型，在内部形成结实可靠的空间连续骨架，可以进一步提升打印结构抗弯，抗剪和抗裂性能。
48.实施例2
49.以图5和图8((plate
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板，r
‑
筋材，d
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四向连接套管，c
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三向连接套管，m
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施工机械手臂，p
‑
打印混凝土，x
‑
打印方向，z堆叠方向)板式构件为例，进行打印建造分步骤说明：
50.1、对板进行力学计算分析，根据结构承载力极限状态和正常使用极限状态分别确定加入该结构构件中的材质、总量、布置位置和强度以及直径、表面形态、与混凝土层外边缘距离和间距；并根据筋材的交接点位置和交叉数确定连接套管的位置、数量和形式。在本实施例中，采用的连接套管的形式包括单向连接套管和三向连接套管。
51.2、根据本实施例中梁式构件的总体结构和打印设备确定混凝土、筋材和连接套管的打印流程，并根据打印流程编辑筋材和连接套管的定时定位联结和推送程序。
52.3、配制3d打印材料，根据打印流程，沿x方向打印，沿着z方向堆叠，逐层打印，打印头旁配有一个机械臂m携带有筋材节段r、c
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三向连接套管和d
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四向连接套管，随打印路径进行空间定位和信号编辑，利用机械臂m定时定位联结和推送程序夹取筋材、c
‑
三向连接套管和d
‑
四向连接套管并放入还未硬化的混凝土中并进行组装。
53.4、3d打印基体与套管连接的筋材在上层重力作用下粘结固化成型，在内部形成结实可靠的空间连续骨架，进一步提升打印结构抗弯，抗剪和抗裂性能。
54.实施例3
55.以图6和图9(column
‑
柱，e
‑
多向套管，m
‑
施工机械手臂，r
‑
筋材)柱构件为例，进行打印建造分步骤说明：
56.1、对柱进行力学计算分析，根据结构承载力极限状态和正常使用极限状态选择分别确定加入该结构构件中的材质、总量、布置位置和强度以及直径、表面形态、与混凝土层外边缘距离和间距；并根据筋材的交接点位置和交叉数确定连接套管的位置、数量和形式。在本实施例中，采用的连接套管的形式包括单向连接套管和三向连接套管。
57.2、根据本实施例中梁式构件的总体结构和打印设备确定混凝土、筋材和连接套管的打印流程，并根据打印流程编辑筋材和连接套管的定时定位联结和推送程序。
58.3、配制3d打印材料，根据打印流程，沿x方向打印，沿着z方向堆叠，逐层打印，打印头旁配有一个机械臂m携带有筋材节段r和e
‑
多向连接套管，随打印路径进行空间定位和信号编辑，机械臂m根据定时定位联结和推送程序夹取筋材和e
‑
多向连接套管并放入还未硬化的混凝土中并进行组装。
59.4、3d打印基体与套管连接的筋材在上层重力作用下粘结固化成型，在内部形成结实可靠的空间连续骨架，进一步提升打印柱式结构抗压，抗弯和抗震性能。
60.本实施例采用了平面直角坐标系下的规则外型示例一种用于3d打印混凝土结构的整体装配式配筋打印建造方法，但本发明的技术和设计可适应各种空间造型设计的配筋混凝土结构的建造，通过带有榫卯嵌扣的空间多向套管连接刚性筋材节段形成整体配筋的新型3d打印混凝土结构，具有多种打印工艺，多种空间造型和多种建筑材料的建造适应性，可与数字设计、打印制造和装配化配筋形成一种新型建造方法。
61.对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的用于3d打印混凝土结构的整体装配式配筋打印建造方法，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的空间造型形式、嵌扣细节和整体组合方式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
62.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。