大型原位3D打印建筑设备的设计应用

陈欢欢，潘 宠

(中建二局洛阳机械有限公司，河南 洛阳 471000）

3D 打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用计算机自动控制技术，通过逐层打印的方式将打印材料构造成物体的新技术，建筑3D 打印技术是将3D 打印技术应用于混凝土施工的技术，具有数字化、智能化、机械自动化等特点，与传统建筑业相比，建筑3D 打印技术采用工业化的生产方式，减少了劳动力的投入，提高了效率，缩短了生产建设周期，并且能够有效解决建筑传统施工中存在的手工作业多、模板用量大、复杂造型难以实现等问题。

近年来，在国家相关政策的支持下，国内建筑3D 打印技术快速发展，并开始追赶欧美国家，但由于缺乏大型3D 打印施工设备，所以大部分还仅限于实验室研究，或在工厂内打印一些小的景观及建筑构件，大型建筑主要通过预先打印小的混凝土构件，然后在现场装配的方式进行建造，这种情况一定程度上限制了建筑3D 打印技术的推广应用。

本文详述一种大型原位3D 打印建筑设备，对设备的结构组成、设计要点及安装调试精度进行阐述，通过实际打印效果表明，该设备运行稳定，打印效率、精度高，可以满足大型原位3D打印工程施工的各项要求。

1 结构组成

图1 是该大型原位3D 打印建筑设备的结构简图，该设备机械结构主要由设备框架、垂直升降架、抱箍、打印系统及各运动部件的驱动装置等组成，其中垂直升降架分为升降架A 和升降架B，打印系统由打印横梁和打印头组成。

图1 大型原位3D打印建筑设备结构简图

该设备的系统原理是，打印横梁沿着垂直升降架平面水平移动（X向），打印头沿着移动横梁水平移动（Y向），垂直升降架通过抱箍的驱动作用沿框架立柱做上下移动（Z向，升降架A 和B 同步进行升降），3 个方向的精确位移从而实现3D 打印。该设备采用模块化设计，具有安装方便、运行精度高、运行稳定等特点，而且可根据建筑物的尺寸对设备架体进行扩展，满足了大型化施工的要求。

2 设计研究

2.1 设备框架

如图2 所示，设备框架主要由6 根垂直立柱组成，立柱底部固定在地面上，顶部用连接横撑和纵撑连接成为一个稳固的整体，立柱和支撑之间、立柱和地面之间均通过螺栓进行连接。在每根立柱上都设置有一个带有独立驱动装置的抱箍，抱箍可沿着立柱垂直升降，作为提升点实现垂直升降架的整体升降。图中2 个垂直升降架一共有6 个提升点，因为立柱是刚性的，所以在提升过程中，必须保证6 点同步提升，而且6 个提升点的运行轨迹必须平行，相对位置必须稳定在合理的范围内，否则将导致升降架在垂直方向运行时出现卡顿甚至无法完成升降，这就对单根立柱的直线度及6 根立柱的平行度提出了很高的要求，根据工程实践，12m 高的立柱的垂直度允许偏差应控制在3mm 以内。立柱的底部与基础连接应采用螺栓连接的方式（图3），安装设备时可通过调整螺母对立柱的垂直度进行调整。

图2 设备框架结构简图

图3 设备框架基础连接结构简图

设备框架不仅是整个设备稳定运行的基础，垂直升降架上下运行的导柱，而且是安全施工的保证。在打印过程中，在房屋边缘或拐角处，由于惯性的存在，打印横梁或打印头速度的明显变化会对设备框架造成很大的冲击，因此，设备整体稳定性对设备的安全运行至关重要，本设备在设计研发阶段，采用了有限元分析的方式对各种工况下设备的刚度、强度、稳定性进行了分析。

工程实践证明，这种标准的框架结构可方便根据建筑物的尺寸进行架体扩展，当建筑物的尺寸增加时，可通过增加立柱数量，增大打印范围，满足大型化施工的要求。

2.2 抱 箍

每根立柱上的抱箍是一个提升点，是升降架的支撑点，在打印过程中，打印横梁的水平冲击载荷也将通过抱箍传递到设备框架。抱箍的结构如图4 所示。

图4 抱箍结构简图

抱箍的内支撑滚轮应设置在立柱的4 个方向，并设计为刚性轮，轮子是可横向调节的，以便在安装时，保证抱箍顺畅运动的前提下，把轮子和立柱之间的间隙调节到最小，以便整个升降架垂直运动轨迹的直线度达到最优，最大程度保证打印出墙体的垂直度，提升打印的整体质量。

为了保证升降架在安装后不倾斜，抱箍的支座布置方向应如图5 所示的方向，即端部2 个抱箍的支座方向应布置为相对向的位置，而不能把所有抱箍的支座都布置在垂直升降架的侧面（见中部抱箍）。一般来说，对大型原位3D 打印建筑设备抱箍的高度不能低于1m。

图5 抱箍支座方向布置示意图

2.3 分布式垂直升降架

垂直升降架是设备Z向打印的运动本体单元，也是设备X向和Y向打印的承载单元，垂直升降架应为分布式设计，分为升降架A 和升降架B，单个升降架与设备框架立柱通过3 个抱箍连接。

与整体升降架结构相比，这种结构把升降架一分为二，在安装调试时，先调节升降架A 的3个抱箍同步提升，再调节升降架B 的2 个抱箍同步提升，然后再调节升降架A 和升降架B 同步提升，这种方式减少了同时调试的提升点数量，可有效降低安装调试难度。

为了降低提升重量，减小打印过程中的水平冲击载荷，升降架应设计为桁架结构，采用高强度铝合金材质，一般来说，9m 长的升降架桁架高度应不小于800mm。由于大型铝合金结构件焊接变形控制难度高，所以升降架应主要采用螺栓连接的方式，焊缝应尽量对称布置，尽量减少焊缝数量，增大焊缝的间距，如图6 所示。

图6 桁架式垂直升降架结构示意图

2.4 打印横梁及可升降式打印头

大型原位3D 打印设备打印面积一般较大，打印横梁跨度较大，为了增强梁的刚度，减轻重量，横梁应设计为高强度铝合金桁架双梁结构，打印头设置在双梁之间，从而避免了打印头悬于横梁的侧面从而产生歪斜，保证打印头的垂直度。为了减少焊接变形，保证打印横梁的直线度，设计中也应优先考虑螺栓连接，减少并合理布置焊缝。一般来说，15m 长的打印横梁允许挠度为5mm，并应设计为三段式结构，可避免连接点在横梁的中部位置，优化结构受力。

大型原位3D 打印设备因为起升重量较大，为避免频繁进行提升，一般应设计可升降式打印头，每次整体提升一个楼层的高度，在此楼层高度内依靠打印头的升降完成打印，可升降打印头的结构如图7。

图7 可升降打印头结构简图

3 实践应用

本文讲述的大型原位3D 打印建筑设备已在广东省河源市成功打印一座二层办公楼，办公楼高度7.5m，长度16.7m，宽度7.5m，总建筑面积230m2，这是世界首例采用“轮廓工艺”的原位3D 打印双层示范建筑，如图8、图9。整个打印过程净用时不到60h，经检测，打印的墙体整体直线度和垂直度均控制在3mm 以内，达到了预期要求。通过本次打印，探索了包括工艺、材料、设备、建筑设计等在内的原位建筑3D 打印技术，验证了本文所述设备的稳定性。

图8 原位3D打印建筑设备实物图

9 原位3D打印建筑实景图

4 结语

建筑3D 打印技术与传统施工技术相比，具有绿色环保、免模板、智能化程度高、节省人工、缩短施工周期等显著优点，在我国老龄化问题日益严重，劳动力短缺以及大力推动绿色发展的背景下，建筑3D 打印技术拥有广阔的应用前景，将会有力推动制造业的数字化发展，促进建筑业的转型升级。