CN109129827A - 一种3d打印编织一体化成型的复合柱的建造方法及复合柱 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印编织一体化成型的复合柱的建造方法及复合柱，包括：(1)根据建筑造型空间建模后，根据功能需求进行空间体型优化，并根据承载力需求设计线材的编织密度；(2)根据确定的空间体型和编织密度，对基体打印顺序及线材的锚固点进行布置，得到打印编织一体化流程；并配制3D打印材料；(3)根据打印编织一体化流程逐层打印实心复合柱或柱外壳。本发明提供的建造方法通过在打印基体时编入高强线材，替代钢筋的同时也改善了3D打印基体抗拉、抗剪、抗磨和抗裂性能。

Description

一种3D打印编织一体化成型的复合柱的建造方法及复合柱
技术领域
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柱的建造方法及复合柱。
背景技术
柱是在结构框架中主要的竖向受力构件，承受梁和板传来的荷载，并将之传给基础。柱在各种荷载组合下的稳定和安全是空间结构保持完整性的必要条件，也是结构分析的关键受力构件。
现有建筑结构的竖向受力构件主要由3D打印材料直接打印形成，缺乏这些打印材料与传统增强材料，如钢筋的组合，导致打印建筑受限于材料性能，多为单层或者多层的小型民用建筑。
虽然现有的3D打印建筑材料非常丰富，但是利用目前打印材料要实现打印建筑跨度与层高的突破，还有待材料强度的进一步提升，或者将现有打印材料与钢筋等增强材料进行有效复合。但是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。
现阶段进行了各种技术尝试将空间多变的3D打印优势与传统的钢筋材料进行结合，但现阶段提供的建造方法都是利用3D打印工艺的形塑能力打印外壳或者主要支架，然后采用传统的钢筋骨架和浇筑普通混凝土将二者进行组合。当打印的建筑层高较高或者柱子的体积较大时，在施工阶段就会因为混凝土的浇入而引起外壳产生较大的变形和大范围开裂，不能满足结构建造和使用要求，需要对这种外壳进行增强或者研发出新的结构形式。
目前各种规格高强钢绞线，FRP复合线材，纳米高强复合线/绳材等柔韧高强、几何可变材料的出现为新的3D打印结构研发提供了可行之径，公开号为CN204263543U的中国专利文献公开了一种纤维增强复合材料增强3D打印结构，该纤维增强复合材料增强3D打印结构为纤维增强复合材料增强3D打印柱，包括：3D打印柱；FRP柱外覆层，FRP柱外覆层位于所述3D打印柱的外表面，FRP柱外覆层为环向封闭；FRP柱外覆层通过手糊、喷射、板材粘贴或真空灌注方式形成在所述3D打印柱的外表面。
但上述建造方式仍没有充分利用3D打印形成一体化自动化的智能建造技术，3D打印柱与FRP柱外覆层非一体化成型。如何使这些增强材料在3D打印基体中形成强韧空间网络，确保柱子在多种工况下的承载能力，变形能力和耐久性能，是目前需要解决的关键问题。
发明内容
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柱的建造方法，本发明提供的建造方法通过在打印基体时编入高强线材，替代钢筋的同时也改善了3D打印基体抗拉、抗剪、抗磨和抗裂性能。
一种3D打印编织一体化成型的复合柱的建造方法，所述复合柱为直接编织打印形成的实心复合柱或编织打印柱外壳后与钢筋笼结合后浇入钢筋混凝土形成的复合柱，建造方法包括以下步骤：
(1)根据建筑造型空间建模后，根据功能需求进行空间体型优化，并根据承载力需求设计线材的编织密度；
(2)根据确定的空间体型和编织密度，对基体打印顺序及线材的锚固点进行布置，得到打印编织一体化流程；并配制3D打印材料；
(3)根据打印编织一体化流程逐层打印实心复合柱或柱外壳。
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(1)中，所述的线材的编织密度根据混凝土结构螺旋箍筋柱箍筋量的计算方法，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，布置锚固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(2)中，实心复合柱和柱外壳的打印编织一体化流程为：
(2-1)向外/内打印基体；
(2-2)锚固点喷射螺钉定位；
(2-3)向内/外一体化打印编织纬线线材；
(2-4)在螺钉处编织经线线材；
(2-5)重复步骤(2-1)-(2-4)，逐层打印基体和编织线材，得到打印编织一体化成型的实心复合柱或复合柱外壳。
所述的建造方法还包括：柱外壳硬化并达到设计强度后，将预先绑扎好的钢筋笼放入外壳内；向外壳内浇筑混凝土；定期养护，使3D打印编织外壳、钢筋笼、混凝土结合成一体形成复合柱。
所述的柱外壳还包括加强肋，所述加强肋布设于柱外壳的内侧或外侧。
优选的，所述加强肋布设于柱外壳的内侧。
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。
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。
本发明的技术效果具体体现在：
1、采用3D打印基体替代传统混凝土，采用高强线/绳材替代钢筋，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，而且美化了结构立面造型。
2、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，大大增强打印构件的断裂韧性和抗冲击性能，提升柱体的疲劳性能及其耐久性，使3D打印建筑物的优势全面凸显，不局限于小型建筑结构。
3、采用结构体型空间优化设计，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柱体结构，在安全可靠的基础上可达到经济美观，造型艺术。
4、本发明提供的复合柱结构可与传统建筑结构进行组合搭建，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中制备抗震结构柱方法的流程图；
图2为实施例1中制备抗震结构柱的打印编织施工过程的示意图；
图3为实施例2中打印编织五边形螺旋异形柱外壳的示意图；
图4为实施例2中螺旋异形柱外壳内置钢筋笼的示意图；
图5为实施例2中螺旋异形柱外壳内浇筑混凝土形成一体化复合柱的截面图。
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
本实施例以打印编织抗震结构柱为例。
第一步：根据抗震结构柱造型空间建模后，根据功能需求进行空间体型优化，并根据承载力需求设计线材的编织密度。
第二步：根据确定的空间体型和编织密度，对基体打印顺序及线材的锚固点进行布置，得到打印编织一体化流程；并配制3D打印材料。
第三步：根据打印编织一体化流程逐层打印实心复合柱。
具体地，如图1所示打印编织一体化流程为：
(2-1)向外/内打印基体；
(2-2)锚固点喷射螺钉定位；
(2-3)向内/外一体化打印编织纬线线材；
(2-4)在螺钉处编织经线线材；
(2-5)重复步骤(2-1)-(2-4)，逐层打印基体和编织线材，得到打印编织一体化成型的实心复合柱。
实心复合柱打印编织施工过程如图2所示，A为打印初始点，箭头方向为打印方向，径向方向上的B为在锚固点喷射的螺钉。
在本实施例中，3D打印材料为水泥基材料，线材为纤维复合线材。
实施例2
本实施例中，3D打印编织空间复合柱外壳1并与现有的钢筋混凝土结构柱进行组合。
第一步：异形柱整体结构设计：首先根据建筑造型需求，设计异形柱及其外壳，如图3所示；根据构造、层间抗剪与施工期的刚度要求确定异形柱外壳厚度和加强肋的尺寸与密度，根据抗裂、变形与承载力需求设计编织密度。
第二步：根据确定的空间体型和编织密度，对基体打印顺序及线材的锚固点进行布置，得到打印编织一体化流程。
异形柱外壳1打印编织一体化流程为：
向外/内打印基体；锚固点喷射螺钉定位；向内/外一体化打印编织纬线线材；在螺钉处编织经线线材；重复步骤上述步骤，逐层打印基体和编织线材，得到打印编织一体化成型的异形柱外壳。如图3，C为打印起始点，箭头方向为打印建造方向。
第三步：3D打印水泥基材料配制：按预先设定好的3D打印混凝土配合比，对水泥、集料、掺合料和外加剂等计量搅拌。
第四步：按照打印编织一体化流程逐层打印编织形成异形柱外壳。
第五步：异形柱外壳达到设计强度后，将提前绑扎好的钢筋笼放置在打印好的异形柱外壳中，如图4所示将混凝土浇筑在异形柱外壳形成的模板中，对浇筑好的混凝土进行一定时间的养护，五边形螺旋异形复合柱的截面图如图5所示，1为异形柱外壳，2为混凝土，3为钢筋笼。
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。

Claims (9)

1.一种3D打印编织一体化成型的复合柱的建造方法，其特征在于，所述复合柱为直接编织打印形成的实心复合柱或编织打印柱外壳后与钢筋笼结合后浇入钢筋混凝土形成的复合柱，建造方法包括以下步骤：
(1)根据建筑造型空间建模后，根据功能需求进行空间体型优化，并根据承载力需求设计线材的编织密度；
(2)根据确定的空间体型和编织密度，对基体打印顺序及线材的锚固点进行布置，得到打印编织一体化流程；并配制3D打印材料；
(3)根据打印编织一体化流程逐层打印实心复合柱或柱外壳。
2.根据权利要求1所述的3D打印编织一体化成型的复合柱，其特征在于，在步骤(1)中，所述的线材的编织密度根据混凝土结构螺旋箍筋柱箍筋量的计算方法，用线材抗拉强度代替钢筋屈服强度进行计算得到。
3.根据权利要求1所述的3D打印编织一体化成型的复合柱，其特征在于，在步骤(2)中，实心复合柱和柱外壳的打印编织一体化流程为：
(2-1)向外/内打印基体；
(2-2)锚固点喷射螺钉定位；
(2-3)向内/外一体化打印编织纬线线材；
(2-4)在螺钉处编织经线线材；
(2-5)重复步骤(2-1)-(2-4)，逐层打印基体和编织线材，得到打印编织一体化成型的实心复合柱或复合柱外壳。
4.根据权利要求1所述的3D打印编织一体化成型的复合柱，其特征在于，所述的建造方法还包括：柱外壳硬化并达到设计强度后，将预先绑扎好的钢筋笼放入外壳内；向外壳内浇筑混凝土；定期养护，使3D打印编织外壳、钢筋笼、混凝土结合成一体形成复合柱。
5.根据权利要求4所述的3D打印编织一体化成型的复合柱，其特征在于，所述的柱外壳还包括加强肋，所述加强肋布设于柱外壳的内侧或外侧。
6.根据权利要求1所述的3D打印编织一体化成型的复合柱，其特征在于，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。
7.根据权利要求1或6所述的3D打印编织一体化成型的复合柱，其特征在于，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。
8.根据权利要求1所述的3D打印编织一体化成型的复合柱，其特征在于，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。
9.根据权利要求1～8任一项权利要求所述的3D打印编织一体化成型的复合柱的建造方法建造的复合柱。
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