CN111910756B - 一种3d打印的装配式配筋混凝土构件及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种3D打印的装配式配筋混凝土构件及其制作方法。构件包括：3D打印的混凝土外壳、3D打印的混凝土构件内部结构、纵向预留孔洞、纵向钢筋和箍筋；3D打印的混凝土外壳按照构件形状绕构件轴线打印；3D打印的混凝土构件内部结构打印于外壳内；纵向预留孔洞位于混凝土构件的内部结构中；纵向钢筋穿入预留孔洞，后期在孔洞中灌入灌浆料以固定纵筋；箍筋每隔固定打印层数，以平行打印平面的方向同轴心直接放置在打印混凝土的外壳部分上。该3D打印混凝土构件不需使用模板，能制作出传统施工难以实现的构件形式，可提高构件的设计自由度；该3D打印混凝土构件配筋模式与传统钢筋混凝土构件相似，可使用传统理论进行构件设计，且制作简便。

Description

一种3D打印的装配式配筋混凝土构件及其制作方法
技术领域
本发明涉及建筑工程中的混凝土3D打印技术领域，具体为一种3D打印的装配式配筋混凝土构件及其制作方法。
背景技术
相比于传统的混凝土现浇施工工艺，混凝土3D打印技术具有以下优势：(1)施工过程中无需使用混凝土模板及其支撑，混凝土打印后无需振捣，减少了材料及劳动力消耗；(2)建造速度快，施工时间短；(3)通过高度精确的设计和打印，降低出现施工错误的可能性；(4)施工自动化程度高，可以改善施工环境和降低劳动力的消耗；(5)不受构件形状限制，可打印造型各异的构件，因而能提高建筑物或构筑物的设计自由度。随着对建筑工程自动化和定制化要求的提高，混凝土3D打印技术的发展和应用必将成为建筑行业发展的重要方向。混凝土的3D打印需要依靠混凝土3D打印机，但目前的3D打印机具有一定的尺寸限制，约束了混凝土3D打印的最大尺度，导致目前的混凝土3D打印多处于构件尺度。
装配式建筑施工不仅节能、环保，还可以降低劳动力消耗，提高建筑行业的生产效率，符合建筑行业可持续发展的战略要求，因而近年来被大力推广和应用。但是装配式建筑通常采用规则的标准化构件，只有当同一规格的构件数量足够多时，才比较经济适用，因此装配式建筑的设计往往受到一定限制，缺乏个性。如果将混凝土3D技术与装配式建筑结合起来，不仅可以进一步推动建筑行业的工业化、自动化程度，还可以提高构件形式的自由度和多样性，优化构件选型，丰富建筑造型，实现构件精准制作加工。
3D打印混凝土因其逐层打印的特殊施工过程，很难采用传统的方法进行钢筋施工，最近有研究人员使用复合纤维或细钢丝对混凝土构件进行配筋，但这种方式与传统配筋方式差别较大，难以按照目前的方法和工程经验进行计算分析和工程应用；另一种施工方式为先打印空心的混凝土外壳，然后在其中放入提前绑扎或焊接固定好的钢筋笼，再浇筑混凝土并振捣，这种方式实质上只是免除了支模的工作，钢筋布设的自动化程度较低，没有充分发挥3D打印的优势。因此，有必要采用一种既与传统配筋设计相匹配，又能保证钢筋布设施工的高自动化率的3D打印混凝土配筋方式，以解决3D打印配筋混凝土构件的实际应用问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为提出一种新的3D打印混凝土构件配筋方式，并根据该配筋方式提供一种施工简便、结构明确的3D打印混凝土构件制作方法，该配筋方式可以使3D打印混凝土构件具有与传统钢筋混凝土构件相似的配筋模式，因而可采用当前的计算方法和工程经验对其进行设计。
为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种3D打印的装配式配筋混凝土构件及其制作方法，打印构件包括：3D打印的混凝土外壳、3D打印的混凝土构件内部结构、箍筋、纵向预留孔洞和纵筋；所述混凝土构件可以为柱、梁或剪力墙；所述3D打印的混凝土外壳按照构件形状绕构件轴线打印；所述3D打印的混凝土构件内部结构打印于外壳内；所述箍筋每隔固定打印层数，以平行打印平面的方向同轴心直接放置在打印混凝土的外壳部分上；所述纵向预留孔洞位于混凝土构件的内部结构中；所述纵筋后期穿入预留孔洞中，并灌浆锚固。
进一步地，构件的形状可以为矩形、T形、箱形或者其他任何适合的实心或空心、规则或不规则形状，构件的截面形状和尺寸沿构件长度方向可以变化。
进一步地，所述3D打印的混凝土外壳和构件内部结构均由打印混凝土条带组成。
进一步地，所述打印混凝土条带的宽度和厚度视3D打印机属性和构件要求而定。
进一步地，所述3D打印混凝土外壳的打印圈数为n(n≥2)，n根据打印条带宽度b、箍筋直径d和保护层厚度c要求确定，计算公式为n＝(2c+d)/2b+1/2，n向上取整。
进一步地，所述箍筋通过人工或机械每隔固定打印层数m，以平行打印平面的方向同轴心直接放置在打印混凝土外壳的最内圈上，m根据设计箍筋s和打印条带厚度h确定，计算公式为m＝s/h，m向下取整。
进一步地，所述3D打印的混凝土构件内部结构在除预留孔洞和设计空腔之外的位置应当完全填满，填满方式由打印程序和纵向预留孔洞的布置方式共同决定，可以采用打印条带沿高度方向平行填满、沿宽度方向平行填满、沿对角线方向平行填满或“回”字形填满。
进一步地，所述设计空腔的断面形状可以为圆形、环形、矩形、拱形等任意规则或不规则形状，其通过使用专门的3D打印建模软件控制打印程序在对混凝土构件内部结构进行打印时获得，目的是节省材料、减轻构件自重、方便管线埋入，也能起到一定的保温隔热作用。
进一步地，所述纵向预留孔洞为使用专门的3D打印建模软件控制打印程序在对混凝土构件内部结构进行打印时获得，纵向预留孔洞用于布置纵筋，即纵筋穿过所述纵向预留孔洞。为了满足受力等要求，所述纵向预留孔洞的间距、数量和大小应与设计配筋相匹配。
进一步地，所述纵筋穿过所述纵向预留孔洞，所述钢筋孔洞边长或直径大于纵筋直径至少2mm，但不应大于10mm。合理的纵向预留孔洞直径既方便纵筋的插入和灌浆料的灌入，又能保证灌浆料与混凝土、纵筋之间的粘结锚固。为满足纵筋的安装和锚固要求，纵向预留孔洞直径应进行优化。
进一步地，所述纵筋在混凝土构件于施工现场完成吊装后穿入预留孔洞，并对孔洞进行灌浆，以锚固纵筋。
进一步地，对于某些形状复杂或尺寸较大的构件，可以使用多种或多个打印构件在吊装现场进行组装获得。
进一步地，所述的3D打印的混凝土外壳、3D打印的混凝土构件内部结构中的3D打印混凝土应满足混凝土3D打印的基本要求，可以为普通混凝土、高强混凝土、地聚物混凝土、再生骨料混凝土或其它任何适合的混凝土。
进一步地，所述3D打印混凝土中可以加入聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、玻璃纤维、钢纤维或者玄武岩纤维中的一种或几种，以减少干缩，提高打印混凝土性能。
进一步地，所述灌浆料及所用灌浆工艺应满足相关技术规范要求。
进一步地，所述箍筋可以为普通箍筋或钢筋网片，所述纵筋可以为普通纵筋、纤维增强筋等。
进一步地，所述3D打印的装配式配筋混凝土构件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：①计算机软件建模、切片并将模型数据传输到打印机；②拌制3D打印混凝土材料；③使用打印机打印混凝土外壳、混凝土构件内部结构，预留纵向孔洞，④每隔固定打印层数放置箍筋；⑤吊装至合适位置并穿入纵筋；⑥灌入灌浆料。
总的来说，本发明的有益效果在于：
1.提出了一种3D打印装配式配筋混凝土构件及其制作方法，该构件采用的配筋方式与传统钢筋混凝土构件类似，在破坏模式、承载力和延性等方面两者差异不大，可直接采用目前的计算方法对其进行设计，同时又可以通过3D打印技术结合现场装配技术进行施工，因此设计和施工操作简便。
2.采用纵筋直接插入孔洞，箍筋直接平行打印截面放置的方式，既能减少钢筋绑扎或焊接的劳动力消耗，又可以降低错误发生的概率，同时这种简单的配筋方式可以使用机械代替人工，进一步提高施工自动化程度。
3.免除了混凝土模板，一方面可以节省材料和劳动力消耗成本，另一方面可以避免因混凝土模板制作或拆除困难而导致的构件体型约束，从而使得建筑构件或结构的体型设计自由度更高。结合优化设计，可以使建筑结构体系更为经济、合理。
4.相比于传统预留孔洞工艺，通过混凝土3D打印预留的孔洞位置和形状精确，纵筋可以很容易地穿过预留孔洞并灌浆固定。由于钢筋和预留孔洞位置准确，因此可以解决目前装配式构件连接时经常遇到的钢筋和孔洞错位、连接困难等问题。通过灌浆锚固后钢筋能与混凝土共同工作，构件的受力性能与现浇混凝土构件接近。
5.混凝土构件吊装完成后再穿入纵筋，可以降低预制构件吊装的重量和难度，同时解决配筋混凝土预制构件在运输和吊装过程中容易出现的纵筋变形等问题。
附图说明
图1为本发明实施例一3D打印混凝土矩形柱平面示意图；
图2为本发明实施例一3D打印混凝土矩形柱单层打印示意图(箭头代表打印方向)；
图3为本发明实施例一3D打印混凝土矩形柱整体结构示意图；
图4为本发明实施例一所述的单个3D打印混凝土条带示意图；
图5为本发明实施例二3D打印混凝土箱形梁平面示意图；
图6为本发明实施例二3D打印混凝土箱形梁单层打印示意图(箭头代表打印方向)；
图7为本发明实施例二3D打印混凝土箱形梁整体结构示意图；
图8为本发明实施例二所述的单个3D打印混凝土条带示意图；
图9为本发明实施例三3D打印混凝土变截面矩形柱底部平面示意图(顶部同图1)；
图10为本发明实施例三3D打印混凝土变截面矩形柱底部单层打印示意图(顶部同图2)(箭头代表打印方向)；
图11为本发明实施例三3D打印混凝土变截面矩形柱整体结构示意图；
图12为本发明实施例三所述的单个3D打印混凝土条带示意图；
图13为本发明实施例四3D打印带键齿的矩形梁键齿部分的平面示意图；
图14为本发明实施例四3D打印带键齿的矩形梁键齿部分的单层打印示意图(箭头代表打印方向)；
图15为本发明实施例四3D打印带键齿的矩形梁主体部分的平面示意图；
图16为本发明实施例四3D打印带键齿的矩形梁主体部分的单层打印示意图(箭头代表打印方向)；
图17为本发明实施例四3D打印带键齿的矩形梁整体结构示意图；
图18为本发明实施例四所述的单个3D打印混凝土条带示意图；
图19为本发明实施例四中矩形梁键齿部分的连接示意图。
图中标记如下：1-1矩形柱3D打印外壳，1-2矩形柱3D打印内部结构，1-3矩形柱纵筋，1-4矩形柱箍筋，1-5矩形柱纵向预留孔洞。2-1箱形梁3D打印外壳，2-2箱形梁3D打印内部结构，2-3箱形梁腰筋，2-4箱形梁纵向受力筋，2-5箱形梁箍筋，2-6箱形梁纵向预留孔洞，2-7箱形梁空腔。3-1变截面矩形柱3D打印外壳，3-2变截面矩形柱3D打印内部结构，3-3变截面矩形柱纵筋，3-4变截面矩形柱箍筋，3-5变截面矩形柱纵向预留孔洞，4-1带键齿矩形梁键齿部分，4-1-1键齿部分3D打印外壳，4-1-2键齿部分3D打印内部结构，4-1-3键齿部分箍筋，4-1-4键齿部分抗剪钢筋，4-1-5键齿部分纵筋预留孔洞，4-1-6键齿部分抗剪钢筋预留孔洞；4-2带键齿矩形梁主体部分，4-2-1主体部分3D打印外壳，4-2-2主体部分3D打印内部结构，4-2-3主体部分箍筋，4-2-4主体部分纵向预留孔洞，4-2-5主体部分抗剪钢筋预留孔洞；4-3纵筋；4-4腰筋。5-矩形柱3D打印混凝土条带。6-箱形梁3D打印混凝土条带。7-变截面矩形柱3D打印混凝土条带。8-带键齿的矩形柱3D打印混凝土条带。
具体实施方式
以下结合附图，通过对实施例的描述，来对本发明进行更为详细的说明。
实施例1：
如图1～图4所示，一种3D打印的装配式配筋混凝土矩形柱，包括：矩形柱3D打印外壳1-1、矩形柱3D打印内部结构1-2、矩形柱箍筋1-4、矩形柱纵向预留孔洞1-5和矩形柱纵筋1-3；所述矩形柱3D打印外壳1-1按照构件形状绕构件轴线打印；所述矩形柱3D打印内部结构1-2打印于矩形柱3D打印外壳1-1内，如图1所示；所述箍筋每隔固定打印层数，以平行打印平面的方向同轴心直接放置在打印混凝土的外壳部分上所述纵向预留孔洞位于混凝土构件的内部结构中；纵筋直接穿在预留孔洞中，后期在孔洞中灌入灌浆料实现纵筋的固定；。
实施例1所述矩形柱尺寸为420mm×420mm×3000mm，采用的打印混凝土条带宽度b＝30mm，厚度h＝10mm，箍筋直径为8mm，保护层厚度取为20mm，非加密区箍筋间距为200mm，四个方向纵筋均为
Figure BDA0002558830620000092
混凝土外壳的打印圈数n＝2，箍筋以平行打印平面的方向同轴心直接放置在打印混凝土外壳的最内圈上，非加密区每打印20层放置一圈箍筋，柱端加密区每打印10层放置一圈箍筋。纵向预留孔洞设计为边长30mm的方形孔洞，边长比纵筋直径大5mm，便于纵筋的穿入同时提供较好的粘结效果，孔洞的布置形式如图1所示。
实施例1中用于3D打印的混凝土为加入聚丙烯纤维的普通硅酸盐水泥混凝土，用于孔洞灌浆的灌浆料为CGM-1通用型高强无收缩灌浆料。
该3D打印配筋混凝土矩形柱的施工方法，包括以下步骤：
S1：依据设计结果确定该构件的配筋情况为，非加密区箍筋间距为200mm，四个方向纵筋均为
Figure BDA0002558830620000091
根据设计配筋信息并依托3D打印建模软件完成对构件的建模，包括选择打印混凝土条带宽度b＝30mm，厚度h＝10mm，确定混凝土外壳的打印圈数n＝2，内部结构的填充形式为平行填充，纵向预留孔洞为边长30mm的方孔，共计12个，对称分布于柱截面的四边，同一边4个孔洞相互之间的距离为60mm，根据建立的3D打印模型生成3D打印路径，转换成G代码供混凝土3D打印机识别。
S2：拌制3D打印混凝土材料，通过泵送或人工手段将混凝土运送到打印机中，打印机根据逐层打印的顺序进行混凝土条带的打印，每层混凝土均先打印混凝土外壳，再打印构件内部结构，打印内部构件结构时，打印机根据打印模型在预留孔洞的位置停止出料以达到布置孔洞的目的，每层混凝土外壳和构件内部结构打印完成后，打印机喷嘴上移，进行下一层的打印。
S3：在柱端箍筋加密区每打印10层混凝土使用人工或机械辅助的手段以平行打印平面的方向将直径为8mm的四肢箍同轴心地放置在混凝土外壳的最内圈上；非加密区每打印20层混凝土以同样的方式放置一层箍筋。
S4：打印构件养护至一定强度后，吊装至合适位置，在预留孔洞中穿入
Figure BDA0002558830620000101
纵筋。
S5：拌制灌浆料，用压力注浆机将灌浆料灌入预留孔洞与纵筋间的空隙，完成纵筋的锚固。
实施例2：
如图5～图8所示，一种3D打印的装配式配筋混凝土箱形梁，包括：箱形梁3D打印外壳2-1、箱形梁3D打印内部结构2-2、箱形梁纵向预留孔洞2-6、箱形梁纵向受力筋2-4、箱形梁腰筋2-3和箱形梁箍筋2-5；所述箱形梁3D打印外壳2-1根据构件形状绕构件轴线打印；所述箱形梁3D打印内部结构2-2打印于箱形梁3D打印外壳2-1内，如图5所示；所述箱形梁纵向预留孔洞2-6位于混凝土构件的内部结构中；箱形梁纵向受力筋2-4直接穿在箱形梁纵向预留孔洞2-6中，后期在孔洞中灌入灌浆料实现箱形梁纵向受力筋2-4的固定；所述箱形梁箍筋2-5每隔固定打印层数，以平行打印平面的方向同轴心直接放置在打印混凝土的外壳部分上。
实施例2所述的箱形梁尺寸为260mm×500mm×3000mm，采用打印混凝土条带宽度b＝20mm，厚度h＝10mm，箍筋直径为8mm，保护层厚度取为20mm，非加密区箍筋间距为200mm，纵向受力筋为
Figure BDA0002558830620000111
对称配筋，构件按照规范要求还应在高度的中部布置
Figure BDA0002558830620000112
的构造腰筋。混凝土外壳的打印圈数n＝2，箍筋以平行打印平面的方向同轴心直接放置在打印混凝土外壳的最内圈上，非加密区每打印20层放置一圈箍筋，柱端加密区每打印10层放置一圈箍筋。纵筋预留孔洞设计为边长20mm的方形孔洞，边长比纵向受力钢筋直径大4mm，比纵向构造钢筋大8mm，便于纵筋的穿入同时提供较好的粘结效果，孔洞的布置形式如图5所示。
实施例2中用于3D打印的混凝土为加入PVA纤维的碱激发矿渣混凝土，用于孔洞灌浆的材料为CGM-1通用型高强无收缩灌浆料。
该3D打印配筋混凝土箱形梁的施工方法，包括以下步骤：
S1：依据设计结果确定该构件的配筋情况为，非加密区箍筋间距为200mm，纵筋为
Figure BDA0002558830620000113
对称配筋，根据设计配筋信息并依托3D打印建模软件完成对构件的建模，包括选择打印混凝土条带宽度b＝20mm，厚度h＝10mm，确定混凝土外壳的打印圈数n＝2，内部结构的填充形式为平行填充，纵向预留孔洞为边长20mm的方孔，共计8个，其中对称分布于柱截面的上下两边，同一边3个孔洞相互之间的距离为80mm，剩余2个分别位于梁高度中部的作用两侧，根据建立的3D打印模型生成3D打印路径，转换成G代码供混凝土3D打印机识别。
S2：根据打印机特性，梁需要直立起来即按照跨度方向逐层打印，故在需要在开始打印前首先对打印底板进行平整，避免打印过程中构件发生严重偏心而产生变形或坍塌。
S3：拌制3D打印混凝土材料，通过泵送或人工手段将混凝土运送到打印机中，打印机按照梁的跨度方向逐层进行混凝土条带的打印，每层混凝土均先打印混凝土外壳，再打印构件内部结构，打印内部构件结构时，打印机根据打印模型在预留孔洞的位置停止出料以达到布置孔洞的目的，每层混凝土外壳和构件内部结构打印完成后，打印机喷嘴上移，进行下一层的打印。
S4：在梁端箍筋加密区每打印10层混凝土使用人工或机械辅助的手段以平行打印平面的方向将直径为8mm的双肢箍同轴心地放置在混凝土外壳的最内圈上；非加密区每打印20层混凝土以同样的方式放置一层箍筋。
S5：养护至一定强度后，将梁按吊装至合适位置，在预留孔洞中穿入纵筋和腰筋。
S6：构件长度尺寸为3000mm，对于长度较长的梁，可将多个构件吊装所需位置后串联，串联前可对结合面进行凿毛，然后在连接缝处使用灌浆料进行加强。
S7：拌制灌浆料，灌入预留孔洞与纵筋间的空隙，完成纵筋与混凝土构件的粘结。
S8：使用这种方式打印的箱形梁的中心存在一个100mm×340mm的空腔，后续可以在空腔中布置水电暖通管道实现建筑各专业施工一体化，同时该空腔的存在降低了混凝土梁的自重，提高吊装的便捷性。
实施例3：
如图9～图12所示，一种装配式3D打印的配筋混凝土变截面矩形柱，包括：变截面矩形柱3D打印外壳3-1、变截面矩形柱3D打印内部结构3-2、变截面矩形柱纵向预留孔洞3-5、变截面矩形柱纵筋3-3和变截面矩形柱箍筋3-4；所述变截面矩形柱3D打印外壳3-1根据构件形状绕构件轴线打印；所述变截面矩形柱3D打印内部结构3-2结构打印于变截面矩形柱3D打印外壳3-1内，如图9所示；所述变截面矩形柱纵向预留孔洞3-5位于混凝土构件的内部结构中；变截面矩形柱纵筋3-3直接穿在变截面矩形柱纵向预留孔洞3-5中，后期在变截面矩形柱纵向预留孔洞3-5中灌入灌浆料实现变截面矩形柱纵筋3-3的固定；所述变截面矩形柱箍筋3-4每隔固定打印层数，以平行打印平面的方向同轴心直接放置在打印混凝土的外壳部分上。
实施例3所述变截面矩形柱底截面为420mm×570mm，柱顶截面420mm×420mm，长度3000mm，变截面通过逐层改变截面高度方向条带的长度实现，采用打印混凝土条带宽度b＝30mm，厚度h＝10mm，箍筋直径为8mm，保护层厚度取为20mm，非加密区箍筋间距为200mm，四个方向纵筋均为
Figure BDA0002558830620000141
混凝土外壳的打印圈数n＝2，箍筋以平行打印平面的方向同轴心直接放置在打印混凝土外壳的最内圈上，非加密区每打印20层放置一圈箍筋，柱端加密区每打印10层放置一圈箍筋。纵筋预留孔洞设计为边长30mm的矩形孔洞，边长比纵筋直径大5mm，便于纵筋的穿入同时提供较好的粘结效果，孔洞的布置形式如图9所示。
实施例3中用于3D打印的混凝土为加入PVA纤维的偏高岭土-粉煤灰基地聚物混凝土，用于孔洞灌浆的混凝土为CGM-1通用型高强无收缩灌浆料。
S1：依据设计结果确定该构件的配筋情况为，非加密区箍筋间距为200mm，四个方向纵筋均为
Figure BDA0002558830620000142
根据计配筋信息并依托3D打印建模软件完成对构件的建模，包括选择打印混凝土条带宽度b＝30mm，厚度h＝10mm，确定混凝土外壳的打印圈数n＝2，内部结构的填充形式为平行填充，纵向预留孔洞为边长30mm的方孔，共计12个，中心对称分布于柱截面的四边，柱顶同一边4个孔洞相互之间的距离为60mm，柱底截面短边孔洞间距60mm，长边孔洞间距110mm。根据建立的3D打印模型生成3D打印路径，转换成G代码供混凝土3D打印机识别。
S2：拌制3D打印混凝土材料，通过泵送或人工手段将混凝土运送到打印机中，打印机根据逐层打印的顺序进行混凝土条带的打印，每层混凝土均先打印混凝土外壳，再打印构件内部结构，打印内部构件结构时，打印机根据打印模型在预留孔洞的位置停止出料以达到布置孔洞的目的，每层混凝土外壳和构件内部结构打印完成后，打印机喷嘴上移，进行下一层的打印。其中，变截面通过逐层均匀改变柱截面高度方向的条带长度进行实现。
S3：在柱端箍筋加密区每打印10层混凝土使用人工或机械辅助的手段以平行打印平面的方向将直径为8mm的四肢箍同轴心地放置在混凝土外壳的最内圈上；非加密区每打印20层混凝土以同样的方式放置一层箍筋。
S4：打印构件养护至一定强度后，吊装至合适位置，在预留孔洞中穿入
Figure BDA0002558830620000151
纵筋。
S5：拌制灌浆料，灌入预留孔洞与纵筋间的空隙，完成纵筋与混凝土构件的粘结。
实施例4：
如图13～图19所示，一种带键齿的3D打印装配式配筋混凝土矩形梁，包括带键齿矩形梁主体部分4-2和带键齿矩形梁键齿部分4-1，其中带键齿矩形梁主体部分4-2包括：主体部分3D打印外壳4-2-1、主体部分3D打印内部结构4-2-2、主体部分纵向预留孔洞4-2-4、纵筋4-3和腰筋4-4；所述带键齿矩形梁键齿部分4-1分别位于梁的两端并突出于梁的主体部分且截面高度为主体部分的一半，同样包括：键齿部分3D打印外壳4-1-1、键齿部分3D打印内部结构4-1-2、键齿部分纵筋预留孔洞4-1-5、纵筋4-3和腰筋4-4，键齿的主要作用为提高梁柱、梁梁连接处的整体性；所述3D打印的混凝土外壳根据构件形状绕构件轴线打印；所述3D打印的混凝土构件内部结构打印于外壳内，如图13、图15所示；所述预留孔洞包括纵筋预留孔洞和抗剪钢筋预留孔洞，孔洞位于混凝土构件的内部结构中；纵筋直接穿在纵筋预留孔洞中，抗剪钢筋在进行梁的组装时插入孔洞中，并孔洞中灌入灌浆料从而实现钢筋的固定；所述箍筋每隔固定打印层数，以平行打印平面的方向同轴心直接放置在打印混凝土的外壳部分上。
实施例4所述的带键齿的矩形梁主体部分尺寸为260mm×520mm×2200mm，键齿部分尺寸为260mm×250mm×400mm，采用的打印混凝土条带宽度b＝20mm，厚度h＝10mm，箍筋直径为8mm，保护层厚度取为20mm，非加密区箍筋间距为200mm，纵向受力筋为
Figure BDA0002558830620000161
对称配筋，构件按照规范要求还应在高度的中部布置
Figure BDA0002558830620000162
的构造腰筋，此外，为加强键齿连接处的抗剪能力，键齿中需要预留孔洞插入粗钢筋或型钢，本实施案例中使用的是3根长度为700mm的
Figure BDA0002558830620000163
粗钢筋。混凝土外壳的打印圈数n＝2，箍筋以平行打印平面的方向同轴心直接放置在打印混凝土外壳的最内圈上，非加密区每打印20层放置一圈箍筋，柱端加密区每打印10层放置一圈箍筋。主体部分中纵筋预留孔洞设计为边长20mm的方形孔洞，边长比纵向受力钢筋直径大4mm，比纵向构造钢筋大8mm，便于纵筋的穿入同时提供较好的粘结效果，孔洞的布置形式如图13所示。键齿部分中纵筋预留孔洞设计为边长20mm的方形孔洞，而抗剪钢筋的预留孔洞为30mm×80mm的矩形孔洞，孔洞的布置形式如图14所示。
实施例4中用于3D打印的混凝土为加入PVA纤维的碱激发矿渣混凝土，用于孔洞灌浆的材料为CGM-1通用型高强无收缩灌浆料。
该带键齿的3D打印配筋混凝土矩形梁的施工方法，包括以下步骤：
S1：依据设计结果确定该构件的配筋情况为，主体部分非加密区箍筋间距为200mm，纵筋为
Figure BDA0002558830620000171
对称配筋，根据设计配筋信息并依托3D打印建模软件完成对构件的建模，包括选择打印混凝土条带宽度b＝20mm，厚度h＝10mm，确定混凝土外壳的打印圈数n＝2，内部结构的填充形式为平行填充，纵向预留孔洞为边长20mm的方孔，共计8个，其中对称分布于柱截面的上下两边，同一边3个孔洞相互之间的距离为90mm，剩余2个分别位于梁高度中部的作用两侧；键齿部分预留的矩形孔洞位于键齿截面的中心，其边缘距离纵筋孔洞55mm；根据建立的3D打印模型生成3D打印路径，转换成G代码供混凝土3D打印机识别。
S2：根据打印机特性，梁需要立起来即按照跨度方向逐层打印，故在需要在开始打印前首先对打印平台进行平整；此外，为实现两端键齿的打印，需要预先在打印机底板处放一高度为400mm(与键齿长度相同)、表面平整的垫块用以支撑主体部分，另一端的键齿处于顶部方向，无需额外处理。
S3：拌制3D打印混凝土材料，通过泵送或人工手段将混凝土运送到打印机中，打印机按照梁的跨度方向逐层进行混凝土条带的打印，每层混凝土均先打印混凝土外壳，再打印构件内部结构，打印内部构件结构时，打印机根据打印模型在预留孔洞的位置停止出料以达到布置孔洞的目的，每层混凝土外壳和构件内部结构打印完成后，打印机喷嘴上移，进行下一层的打印。
S4：在梁端箍筋加密区每打印10层混凝土使用人工或机械辅助的手段以平行打印平面的方向将直径为8mm的双肢箍同轴心地放置在混凝土外壳的最内圈上；非加密区每打印20层混凝土以同样的方式放置一层箍筋。
S5：养护至一定强度后，将梁按吊装至合适位置，在预留孔洞中穿入纵筋和腰筋。
S6：构件长度总长度为3000mm(含键齿)，对于长度较长的梁，可将多个构件吊装至所需位置后串联，串联方式如图19所示，为将两个打印构件的方式一正(键齿在上)一反(键齿在下)进行放置拼合，对准孔洞并穿入纵筋，串联前可对梁端的键齿部分结合面进行凿毛，连接缝宽度为20mm，并在使用灌浆料在连接缝处进行加强。
S7：拌制灌浆料，灌入预留孔洞与纵筋间的空隙，完成纵筋与混凝土构件的粘结，由于键齿的存在，使用这种方式打印的矩形梁可提高节点的整体性和受力性能。
在本发明的描述中，需要说明的是，使用诸如“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“纵向”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系的术语为解释某一特定状态(基于附图所示)的方位或位置关系，仅为了对本发明进行更为简单清晰的描述，而不是表明或者暗示所描述的装置或构件必须布置在特定方位或者以特定的方位进行构造和操作，因此，其相对方位或位置关系的改变或调整，在技术内容没有实质性变更的前提下，当亦视为本发明可实施的范围。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，在没有对技术内容进行实质性变更前提下所作的任何修改、替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种3D打印的装配式配筋混凝土构件，打印构件包括：3D打印的混凝土外壳、3D打印的混凝土构件内部结构、箍筋、纵向预留孔洞和纵筋；所述混凝土构件为柱、梁或剪力墙；所述3D打印的混凝土外壳按照构件形状绕构件轴线打印；所述3D打印的混凝土构件内部结构打印于3D打印的混凝土外壳内；所述箍筋每隔固定打印层数，以平行打印平面的方向同轴心直接放置在打印混凝土的外壳部分上；所述3D打印的混凝土构件内部结构上设有纵向预留孔洞；所述纵筋后期穿入预留孔洞中，并灌浆锚固；
所述3D打印混凝土外壳的打印圈数为n（n≥2），n根据打印条带宽度b、箍筋直径d和保护层厚度c要求确定，计算公式为n=(2c+d)/2b+1/2，n向上取整；所述箍筋通过人工或机械每隔固定打印层数m，以平行打印平面的方向同轴心直接放置在打印混凝土外壳的最内圈上，m根据箍筋设计间距s和打印条带厚度h确定，计算公式为m=s/h，m向下取整；
3D打印的混凝土构件内部结构在除预留孔洞和设计空腔之外的位置应当完全填满，填满方式由打印程序和纵向预留孔洞的布置方式共同决定，包括打印条带沿高度方向平行填满、沿宽度方向平行填满、沿对角线方向平行填满或“回”字形填满；所述设计空腔的断面形状为圆形、环形、矩形、拱形或不规则形状；
所述的纵向预留孔洞使用专门的3D打印建模软件控制打印程序在对混凝土构件内部结构进行打印时获得，纵向预留孔洞用于布置纵筋，即纵筋穿过所述纵向预留孔洞；所述纵筋在混凝土构件于施工现场完成吊装后穿入所述纵向预留孔洞；所述的纵向预留孔洞边长或直径大于纵筋直径至少2mm，但不应大于10mm；所述纵向预留孔洞穿入纵筋后再对预留孔洞进行灌浆。
2.根据权利要求1所述的3D打印的装配式配筋混凝土构件，其特征在于：所述混凝土构件的截面形状为实心或空心、规则或不规则形状，构件的截面形状和尺寸沿构件长度方向变化或不变化；所述3D打印的混凝土外壳和3D打印的混凝土构件内部结构，两者均由3D打印混凝土条带组成；所述的打印混凝土条带，条带宽度和厚度视3D打印机属性和构件要求而定。
3.根据权利要求1所述的3D打印的装配式配筋混凝土构件，其特征在于：所述的3D打印的装配式配筋混凝土构件，对于其中形状复杂或尺寸较大的构件，通过使用多种或多个上述3D打印构件在吊装现场进行组装获得；所述的多种或多个打印构件，其端面打印若干键齿或洞槽，通过钢筋、灌浆、键齿咬合或干连接方式连接。
4.根据权利要求1所述的3D打印的装配式配筋混凝土构件，其特征在于：所述的3D打印的混凝土外壳、3D打印的混凝土构件内部结构中的3D打印混凝土应满足混凝土3D打印的基本要求，为普通混凝土、高强混凝土、地聚物混凝土、再生骨料混凝土或其它任何适合的混凝土。
5.根据权利要求1所述的3D打印的装配式配筋混凝土构件，其特征在于：3D打印混凝土中还包括聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、玻璃纤维、钢纤维或者玄武岩纤维中的一种或几种，以减少干缩，提高打印混凝土性能。
6.根据权利要求1所述的3D打印的装配式配筋混凝土构件，其特征在于：所述的箍筋为普通箍筋或钢筋网片，纵筋为普通纵向钢筋或纤维增强筋。
7.权利要求1~6任一项所述3D打印的装配式配筋混凝土构件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：①计算机软件建模、切片并将模型数据传输到打印机；②拌制3D打印混凝土材料；③使用打印机打印混凝土外壳、混凝土构件内部结构，预留纵向孔洞，④每隔固定打印层数放置箍筋；⑤吊装至合适位置并穿入纵筋；⑥灌入灌浆料。
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