高分子复合材料3D打印景观桥安装技术*

陈晓明，吴晓风,3，陆承麟,3

(1.上海建工集团股份有限公司，上海 200080；2.上海面向典型建筑应用机器人工程技术研究中心，上海 200072；3.上海市机械施工集团有限公司，上海 200072)

0 引言

3D打印技术是突破传统切削加工方式，通过材料堆积形成实物的增材制造技术，具有节材、省时、免模具和高精度等优点，尤其适用于制作造型复杂或个性定制的产品。目前，3D打印材料主要包括聚合类材料、金属材料和陶瓷材料等。3D打印工艺多样，且不同工艺具有与之适应的材料类型。本文结合福建泉州“云水桥”和四川成都“流云桥”，对高分子复合材料3D打印景观桥安装工艺进行介绍，以为类似项目提供参考，促进3D打印技术的发展。

1 3D打印景观桥结构组成

相比砂浆类3D打印技术，高分子复合材料3D打印技术具有工艺更成熟、层间黏结性能更优、精度更高等优势，但高分子复合材料存在弹性模量较低且刚度不足等问题，难以直接打印作为建筑主结构的受力构件。此外，实践中发现，高分子复合材料3D打印过程中，经高温软化及堆积固化后，打印构件内部产生温度应力，进而发生翘曲变形，且随着打印构件尺寸的增加变形越严重。因此，限于打印工艺，难以利用高分子复合材料直接打印突破一定尺寸限制的结构构件。

对于景观桥，其跨度普遍在10m以上，该尺度难以采用高分子复合材料3D打印一次成型。为此，提出钢-高分子复合材料组合结构设计理念，即利用刚度、强度较大的钢材制造景观桥内置主承力结构，利用高分子复合材料在3D打印方面更成熟可靠的优势，制造非规整的外观造型构件，如图1所示。打印构件沿桥跨方向进行分段，每段长度控制为1.0～1.5m，以减小打印构件翘曲变形。在此基础上，通过打印预留翘曲量及打印完成后进行分段面铣削，确保打印构件拼接面精度。

图1 钢-高分子复合材料组合结构

1.1 福建泉州“云水桥”

“云水桥”位于福建省泉州市生态连绵带公园内，桥长17.5m，宽4.0m，总高3.2m，呈拱状，矢高1.025m，如图2所示。内置钢箱梁作为承力主结构，外部桥形打印构件沿桥跨方向等分为16段，每段长1.075m，段间接缝宽度约20mm。钢梁下翼缘两端共设置4个支座，经分析“云水桥”支座不存在承拉工况，因此采用不抗拉的板式橡胶支座。

图2 “云水桥”桥形及尺寸

1.2 四川成都“流云桥”

“流云桥”位于四川省成都市驿马河公园内，桥长22.5m，宽2.6m，总高2.7m。水平和竖直方向均存在弯曲构型，其中水平向弧高约1.467m，竖向矢高约0.765m，如图3所示。采用内置钢箱梁作为承力主结构，外部桥形打印构件沿水平弧向分为20段，每段长1.12～1.15m，段间接缝宽度约20mm。钢梁下翼缘两端共设置8个支座，经分析“流云桥”支座不存在承拉工况，因此同样采用不抗拉的板式橡胶支座。

图3 “流云桥”桥形及尺寸

2 打印构件安装工艺

打印构件可视为依托于内置钢结构上的附属结构，因此需待钢结构加工完成后进行打印构件安装，具体安装流程如下。

1)打印构件开孔 为防止打印构件在风荷载和人行振动荷载等作用下，竖向脱离钢结构，采用螺栓将打印构件与钢梁上翼缘连接。因高分子复合材料与钢材线膨胀系数差异较大，因此应防止钢梁与打印构件形成抗剪作用，避免打印构件因温度变形在开孔区发生破坏。为此，每个打印构件仅在一端设置螺栓连接，也可在打印构件上开设大圆孔。为满足连接螺栓安装要求，需预先采用机械钻头在打印构件上开设螺栓孔，完成开孔后采用热熔枪对开孔周边区域进行加热，使其软化，以修复由钻孔产生的微损伤。在热熔过程中，在孔洞内同步轻敲置入钢管，为后续安装各打印段硬限位的固定压板提供预留孔。

2)铺设橡胶垫 若打印构件与钢梁上翼缘为硬接触，由于钢梁上翼缘板焊接变形等问题，可能导致打印构件仅局部支承在钢梁上，既造成打印构件局部受力较大，又影响使用舒适性。为此，在打印构件与钢梁间铺设橡胶垫，实现二者软承压接触。橡胶垫截面尺寸为53mm×5mm，沿钢梁全长布置，间距约250mm，通过专用胶水粘于钢梁上翼缘。

3)预拼装 将打印构件按理论位置进行预拼装，并结合钢梁与打印构件实际尺寸，通过微调打印构件间隙，使打印构件合理平顺地排布于钢梁上。通过预拼装，确定每段打印构件具体位置，并在钢梁上做好标记。同时，根据打印构件上的开孔，在钢梁上翼缘做好标记，待打印构件吊离钢梁后，在钢梁上翼缘对应标记位置钻螺纹孔。

4)正式拼装 根据预拼装确定的位置，将打印构件按顺序放置就位，每放置一段，及时安装与钢梁相连的螺栓，连接螺栓通过定制钢盖板与打印构件承压接触，以扩大承压面积，降低打印构件局压应力。所有打印构件安装完毕后，通过侧向限位件对打印构件水平位形进行微调，使打印构件接缝过渡自然平顺。微调完成后，将所有侧向限位件螺栓顶紧打印构件侧壁，并拧紧侧向限位件后置螺栓。

5)接缝处理 接缝处理的目的是将打印构件接缝进行封闭，并控制其色彩尽量接近打印构件颜色，以实现外观形式的统一。可采用耐候密封胶填充，也可嵌入橡胶带，应保证具有优越的耐候性和可伸缩性。采用耐候密封胶填充工艺时，应先嵌入PE棒作为内衬，并在接缝两侧打印构件边缘粘贴胶带，然后涂刷耐候密封胶。

6)铺设塑胶步道 完成前述安装步骤并验收合格后，对打印构件表面进行清洗。清洗完成后，在打印构件面板上铺设塑胶步道，以供行人通行。至此，打印构件全部安装工序均结束，整体验收后即可投入使用。

3 景观桥安装工艺

完成打印构件安装后，景观桥已基本成型，需完成景观桥安装。“云水桥”和“流云桥”采用不同的现场安装工艺。

3.1 “云水桥”现场安装

打印构件分段拼装工艺在“云水桥”上首次应用，考虑到施工现场距离较远，首次拼装存在较多问题，且不便在施工现场解决，因此“云水桥”采用“打印构件工厂组装、现场整体吊装”施工工艺。

1)整体运输 完成打印构件安装后，在“云水桥”外围包裹塑料膜进行保护，防止运输过程对景观桥造成污染，破坏景观桥外观视觉效果。“云水桥”总质量约30t，由大件运输公司负责工厂至施工现场的整件运输。

2)整体吊装 因打印构件和内置钢梁需整体吊装，因此吊装方案应充分考虑吊具装拆的方便性，且吊具不得挤压打印构件。采用在内置钢梁下设钢托梁的方式作为吊具生根点，钢托梁垂直于桥长轴方向布置。钢托梁与内置钢梁通过圆管嵌套方式形成抗剪构造，以平衡由于吊具倾斜带来的水平剪力。采用4点吊装方式，共布设2根钢托梁，每根钢托梁两端各设置1个吊点。吊具采用吊带，为防止吊带挤压打印构件，钢托梁沿“云水桥”宽度方向伸出一定距离。

3)安装与校正 “云水桥”通过4个橡胶支座搁置在混凝土承台上，橡胶支座与“云水桥”钢梁宜采用螺栓连接，与混凝土承台埋件宜采用焊接连接。因橡胶支座按形成静定约束考虑，则橡胶支座水平剪力主要由景观桥承受的水平风荷载产生，计算知单个橡胶支座承受的水平剪力设计值约为16kN，受力较小，因此橡胶支座与埋件间的焊缝按构造考虑即可满足要求。此外，考虑到焊接热输入易对橡胶支座产生损伤，宜在橡胶支座底板4个角部施焊，且焊接长度宜≤5cm，焊接高度宜≤6mm。现浇混凝土承台标高一般设置负偏差，因此需通过垫片进行标高修正。标高偏差较小时(<6mm)，垫片可设置在支座与承台间，也可设置在支座与钢梁间。标高偏差较大时，垫块宜设置在支座与承台间，且应保证垫块与橡胶支座埋件焊接牢固。现场采用全站仪进行标高和水平坐标量测，选取钢梁上翼缘4个端部角点作为坐标控制点。“云水桥”最终完成形态如图4所示。

图4 “云水桥”完成形态

3.2 “流云桥”现场安装

“流云桥”安装采用打印构件分段拼装、端面铣削精加工及三维扫描数字化拼装工艺，对打印构件制作精度要求更高。此外，“流云桥”跨度更大，运输距离更远。综合考虑多方面因素后，采用“钢梁与打印构件现场原位安装”的施工工艺。

1)分段运输 除打印构件分段运输外，对内置钢梁进行了分段，以避免大件运输，降低了运输成本。钢梁分段位置如图5所示，每段钢梁长度≤12m。

图5 钢梁分段示意

2)钢梁安装 首先进行钢梁原位安装。与“云水桥”不同，“流云桥”钢梁单独吊装，因此无须设置底托梁，以避开打印构件。采用吊带直接捆绑吊装的方式，借助每段钢梁上4个橡胶支座处外凸钢结构作为吊带捆绑的抗剪卡件。一侧吊带直接连接钢丝绳，另一侧吊带连接5t手拉葫芦后再连接钢丝绳，通过调节手拉葫芦使钢梁倾斜角度基本吻合成桥形态。钢梁标高和水平位形校正采用与“云水桥”相同的处理方式。两端钢梁校正就位后，首先完成钢梁上、下翼缘熔透对接焊，然后进行腹板间熔透对接焊，最终形成完整的结构钢梁。

3)打印构件安装 完成钢梁安装后，进行打印构件原位安装及塑胶步道施工。“流云桥”最终完成形态如图6所示。

图6 “流云桥”完成形态

4 结语

1)受高分子复合材料3D打印工艺和打印性能等影响，建筑领域大型结构的打印宜采用“分段打印、组拼成型”的制作模式，并应结合其他常规材料和结构优势进行互补。

2)以高分子复合材料3D打印景观桥为研究对象，对打印构件组拼工艺进行叙述，实践表明，景观桥安装时采用的组拼工艺可保证打印构件与内置钢梁协调工作，且打印构件组拼后的整体外观造型基本满足设计初衷。

3)打印构件间密封胶是否具有足够的伸缩性能有待进一步跟踪研究。相对而言，采用嵌入橡胶带的方式更简便、可靠，但在细部外观效果呈现上略有区别。

4)“云水桥”现场安装时需设置超出打印构件宽度的钢托梁，以防止吊具对打印构件产生挤压。采用钢垫片对景观桥标高进行修正，并设置板式橡胶支座。

5)“流云桥”采用现场组拼后，组拼效果与工厂组拼效果基本一致，且降低了运输成本及对起重设备的配置需求，优势显著。