基于3D打印的桩基现场施工系统及方法与流程

本发明属于岩土工程领域，涉及桩基施工技术，尤其涉及桩基的现场3D打印系统及方法。

背景技术：

3D打印是一种新型的快速增材制造技术，其可以将电子蓝图配以耗材精确地打印出实体，具有成型快、污染小、节约材料和产品质量高等优点。目前该项技术在建筑工程领域的发展日趋成熟，虽未产业化，但已能在既有基础上独立打印出低层建筑实体。

桩基础按施工方法可分为灌注桩和预制桩两大类。其中灌注桩需要提前通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘等手段在地基土中先形成桩孔，再下放钢筋笼然后灌注混凝土。在这过程中，由于地下土质条件的复杂及不确定性，灌注桩成桩质量难控制，常容易出现断桩、缩颈、孔底虚土或沉渣厚等质量问题，而当为特殊异形截面灌注桩（如X形桩、大直径管桩等）时，一般需要模具，当拔出模具时，桩身质量更是难以控制；相比之下，预制桩虽然桩身质量较佳，但由于设计深度的不确定性和运输吊装等的限制，其桩长较固定（6~12m），在施工时往往需要接桩、截桩，费时费力，而且会造成不必要的材料浪费。此外，对于一些内部具有细部结构的特殊桩基（如能量桩等），一次制模成型困难，还将面临二次施工等问题。

针对上述传统桩基施工中的缺陷与不足，并且为满足目前特殊桩基越来越高的施工要求，有待发挥3D打印技术的优势，开发出一种可适用于常规桩基和特殊桩基的新型桩基现场施工系统及方法。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于常规桩基和特殊桩基的现场3D打印系统及方法，其既能保留预制桩桩身质量均一的优点，还能像灌注桩一样在现场直接制作施工，无需模板，无需运输，并且除了可节省材料之外，还能精确满足特殊桩基对截面形式及内部结构等的施工要求。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种基于3D打印的桩基现场施工系统及其施工方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的基于3D打印的桩基现场施工系统，包括供料单元、行走控制单元、吊装导向单元、打印单元和沉桩单元，其特征在于：所述吊装导向单元、打印单元和沉桩单元安装在行走控制单元上，所述行走控制单元用于在地面整体行驶移动，所述供料单元与打印单元相连接。

其中，供料单元包括配料罐、耗材罐和输料管，所述供料单元的输料管和数据线与打印单元相连接，所述供料单元固定安装在施工现场。供料单元也可以安装在行走控制单元上。供料单元分别与行走控制单元通过数据线相连，起到进料自动化的作用；与打印单元通过输料管相连，起到供料的作用；与沉桩单元中的高压水枪通过水管相连，用于射水沉桩的供水。所述行走控制单元、吊装导向单元、打印单元和沉桩单元集成于一体，可通过行走控制单元在地面整体行驶移动。

具体地，所述供料单元包括若干个配料罐、耗材罐和输料管，所需原材料存放在对应的配料罐中，现场施工时输入比例后，电脑自动配料，同时控制用量。

具体地，所述行走控制单元包括地面走行机构、电脑控制主机、电源、传感器和执行机构。所述执行机构用于控制供料单元的材料用量、耗材供应速度、钢筋笼位置的反馈调节、重锤高度、重锤振动频率、吊臂的移动和打印单元的移动。

具体地，所述吊装导向单元包括导向架、吊臂和支座。所述导向架具有滑轨（便于重锤和打印单元的上下移动）和夹具（可固定钢筋笼）；所述吊臂用于吊装钢筋笼就位；所述支座用于保持导向架的稳定性。

具体地，所述打印单元固定在导向架滑轨中部，该单元整体可根据打印需要上下移动，包括打印喷头（用于打印桩身外壳）、浇筑喷头（用于桩身外壳打印完成后，往里面灌注混凝土）和OXYZ向打印支架（用于喷头的三维移动）。

具体地，所述沉桩单元包括预制桩尖、高压水枪（用于射水沉桩）和重锤（用于振动沉桩也可用作重锤打桩）。当导向架顶端吊臂正在吊装钢筋笼时，重锤转至导向架外侧，空出导向架的内部空间，便于钢筋笼的就位。

具体地，所述传感器分别安装在供料单元（用于测算材料用量及材料供应速度）、重锤（用于测算重锤高度、打击力度和振动频率等）、导向架上部（用于测量钢筋笼吊装进入导向架中的位置，便于打印时精确定位）及其它需要传感器的部位。

具体地，所述电脑控制单元中安装有3D打印配套软件，可进行打印单元的相关控制和设置，包括打印初始化、调平、定位、打印速度、灌注速度和打印方式等。

本发明同时提供上述基于3D打印的桩基现场施工方法，包括以下步骤：

（1）桩基建模：通过3dsmax等三维建模软件建立特殊桩基的三维立体模型，将其转换成STL格式导入3D打印软件中进行切片处理。

（2）现场准备：包括设备就位、配制耗材、现场绑扎钢筋笼、打印初始化和系统整体调试等。

（3）桩尖就位：选用满足特殊桩基沉桩要求的预制桩尖，将其安装在导向架下部的沉桩单元处。

（4）钢筋笼定位：吊装一节钢筋笼，将其通过夹具固定在导向架上，根据所建立桩基模型坐标定位钢筋笼位置，调整固定。

（5）分节打印：在电脑控制主机上通过3D打印操作软件对打印速度和打印模式等进行设置。最开始打印时，打印喷头从预制桩尖处开始打印，当打印完该节钢筋笼时自动停止；后续打印时，打印喷头从上节钢筋笼停止处开始打印，当打印完该节钢筋笼时自动停止。这里需要说明的是为了加快打印速度，在打印喷头打印出来该节桩基外壳后，浇筑喷头直接往里面浇筑速凝混凝土进行填充。

（6）沉桩：对步骤（5）中完成打印的单节桩基进行快速养护，当速凝混凝土达到沉桩要求强度后，根据现场施工条件（土质情况及周围建筑等）通过沉桩单元采用射水沉桩、振动沉桩、打桩或其中两两相结合的方式，进行该节桩基的沉桩施工。当在砂夹卵石层或坚硬土层中，一般以射水为主，锤击或振动为辅；在亚黏土或黏土中，未避免降低承载力，一般以锤击或振动为主。

（7）接桩：当上节桩基沉桩施工完成后，吊装下节钢筋笼并进行固定定位，采用绑扎或焊接等方式进行钢筋笼的连接，然后执行步骤（5），进行分节打印，完成接桩。

（8）重复：重复步骤（6）~（7），直至达到设计桩长。

（9）结束移位：当完成该根桩的施工后，对其桩头处进行检查清理，并将施工系统移至下一桩位。

有益效果：本发明的基于3D打印的桩基现场施工系统及方法，可以根据现场实际工程需要制作并施工相应设计长度及形式的桩基础，其既能保留预制桩桩身质量均一的优点，还能像灌注桩一样在现场直接制作施工，无需模板、无需运输，并且除了可节省材料之外，还能精确满足特殊桩基对截面形式及内部结构等的施工要求。

具体地，本发明相对于预制桩，除了能保留其桩身质量均一的优点外，还不受传统预制方桩、圆桩等桩型的限制，可定制性强，并且其制作无需模板，无需运输和吊装成桩，更不用对成桩进行截桩和接桩，可以节省大量的混凝土材料，经济环保。

具体地，本发明相对于灌注桩，除了能保留其现场直接施工的便捷性外，由于本发明是先成桩后沉桩，其可以解决灌注桩常出现的沉桩质量问题，避免断桩、缩颈、孔底虚土或沉渣厚等质量问题的出现；而当为特殊异形截面桩（如X形桩、大直径管桩等）的施工时，本发明由于是打印成桩，无需灌注柱施工的模具，可省去下、拔模具的工序，省时省力。

具体地，对于一些新型的特殊桩基（如特殊的截面形式及含内部结构等），常规的预制桩和灌注桩的制作及施工方法，可能难以满足其设计要求或需要增加额外的工序，费时费力。而本发明的施工系统及方法，由于采用了3D打印技术，不受其桩身截面形式及内部结构的限制，可自主操作性和定制性强，施工高效快捷。

此外，本发明还发挥了3D打印技术层叠式打印的优势，打印出来的桩身表面为螺纹状，可以显著增加桩身的侧摩阻力，提高桩基的承载力。由于本发明的主要操作步骤通过计算机进行控制，自动化程度高，还可以节省大量的人力与现场作业时间，大大降低工人的劳动强度。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的基于3D打印的桩基现场施工系统及方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明实施例的施工系统结构示意图；

图2为图1中打印单元在打印管桩时的俯视图；

图3为本发明实施例中施工方法流程图；

图中：1配料罐，2耗材罐，3输料管，4地面走行机构，5电脑控制主机，6导向架，7吊臂，8滑轨，9钢筋笼，10打印喷头，11浇筑喷头，12 OXYZ向打印支架，13重锤，14预制桩尖，15高压水枪，16支座，17夹具，18灌注区域，19打印完成的桩身外壳。

具体实施方式

实施例：

以某桩基设计施工要求为例，根据工程需要制作并施工多根预制管桩兼做储物井，桩长18m，桩外径1200mm，内径1000mm，桩身按构造配筋，现场土质条件为软弱土，地下水位于地下5m处。现采用本发明的施工系统及方法进行施工。

本实施例的基于3D打印的桩基现场施工系统及方法如图1所示，包括：配料罐1，耗材罐2，输料管3，地面走行机构4，电脑控制主机5，导向架6，吊臂7，滑轨8，钢筋笼9，打印喷头10，浇筑喷头11，OXYZ向打印支架12，重锤13，预制桩尖14，高压水枪15，支座16，夹具17。图中第一节钢筋笼9正在从预制桩尖处打印，第二节钢筋笼已吊起离地，预备接桩。

其中，打印单元打印过程中的俯视图如图2所示，其中打印喷头10正在进行管桩桩身内外壳的打印，19为打印完成的桩身外壳；与此同时浇筑喷头11正在进行桩身内外壳之间混凝土的灌注；打印喷头10和浇筑喷头11可在OXYZ向打印支架12上沿X方向精确移动；OXYZ向打印支架12可在OXY平面内沿Y方向精确移动，也可在滑轨8上沿高度方向（即Z方向）精确移动。

使用以上施工系统的施工方法，具体包括以下步骤：

（1）桩基建模：通过3dsmax软件建立该管桩的三维立体模型（桩长18m，桩外径1200mm，内径1000mm），将其转换成STL格式导入3D打印软件中进行切片处理。

（2）现场准备：现场人工绑扎3节钢筋笼（每节6m）；地面走行机构装载导向架等部件行驶到桩位处就位，放下导向架，进行系统整体的连接调试，包括将耗材罐上的输料管连接到打印单元上，将供料单元与打印单元之间通过数据线连接等；在电脑控制主机中输入材料比例及用量，进行耗材的配制；进行打印单元的初始化和系统的整体调试等。

（3）桩尖就位：选用圆锥形闭合预制钢桩尖，将其安装在导向架下部的沉桩单元处。

（4）钢筋笼定位：吊装第一节钢筋笼，将其通过夹具固定在导向架上，根据所建立管桩模型的坐标定位钢筋笼位置，调整固定。

（5）分节打印：在电脑控制主机上通过3D打印操作软件对打印速度和打印模式等进行设置。本实施例中管桩分3节打印，最开始打印第一节时，打印喷头从预制桩尖处开始打印，当打印完第一节钢筋笼时自动停止；后续2节打印时，打印喷头从上节钢筋笼停止处开始打印，当打印完该节钢筋笼时自动停止。这里需要说明的是为了加快打印速度，在打印喷头打印出来该节桩基外壳后，浇筑喷头直接往里面浇筑速凝混凝土进行填充。

（6）沉桩：对步骤（5）中完成打印的单节桩基进行快速养护，当速凝混凝土达到沉桩要求强度后，进行该节桩基的沉桩施工。由于现场土质条件为软弱土且地下水位位于地下5m处，采用振动沉桩为主，射水沉桩为辅的方式。

（7）接桩：当上节桩基沉桩施工完成后，吊装下节钢筋笼并进行固定和定位，采用绑扎或焊接等方式进行钢筋笼的连接，然后执行步骤（5），进行分节打印，完成接桩。

（8）重复：重复步骤（6）~（7）完成3节管桩的打印、沉桩及接桩，达到设计桩长18m。

（9）结束移位：当完成该根管桩的施工后，对其桩头处进行检查清理，并将施工系统移至下一桩位。

如上，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。