CN117921822A - 一种3d打印混凝土竖向构件配筋方法及其配筋系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D打印混凝土竖向构件配筋方法及其配筋系统，属于3D打印领域。本发明的配筋方法，包括如下步骤：采用建筑3D打印技术在预设位置打印至底部设计标高处，完成底座部分；采用3D打印技术逐层打印钢筋骨架内部混凝土至设计高度，将带有部分横向箍筋的纵向钢筋对角布置，同时校正位置后将另外对角纵筋穿过定位环形成封闭钢筋骨架，采用3D打印技术完成外侧保护层打印。本发明中钢筋骨架分段制作而成，箍筋与纵向钢筋根据需要采用不同的连接方式，打印前处于分离状态，打印时可转换成封闭状态，从而有效的避免了打印过程中打印路径对配筋形成的障碍。

Description

一种3D打印混凝土竖向构件配筋方法及其配筋系统

技术领域

本发明涉及3D打印建筑建造技术领域，更具体地说，涉及一种3D打印混凝土竖向构件配筋方法及其配筋系统。

背景技术

建筑3D打印技术是一种将水泥材料经过挤出嘴逐层堆叠成型的建筑方法。目前打印混凝土建筑结构通常为墙板结构和少量的梁。对于打印混凝土竖向构件的应用还较少，这主要是由于3D打印独特的打印工艺，使得纵筋形成障碍影响打印路径，使得打印混凝土竖向构件无法配置封闭的箍筋进行抗剪，从而限制了它的应用。如何打破混凝土竖向构件的打印壁垒成为行业内不断探索的方向。

经检索，如公开号CN106149489A的专利提供了基于3D打印砌体形成的3D打印配筋砌体剪力墙，采用3D打印技术分别制作配筋砌体剪力墙的第一墙体部分和第二墙体部分，第一墙体部分的端部和第二墙体部分的端部均形成有对接槽，第一墙体部分和第二墙体部分内均锚固有水平钢筋，将第一墙体部分的对接槽与第二墙体部分的对接槽对接放置形成对接空间；于第一墙体部分、对接空间、以及第二墙体部分内间隔插入竖向钢筋；以及于第一墙体部分、对接空间内、以及第二墙体部分内浇筑混凝土，形成3D打印配筋砌体剪力墙。

公开号CN114108841A的专利提供了一种3D打印混凝土构造柱底部竖向钢筋锚固构件及施工方法，该锚固构件的组合钢套筒预制构件预埋在混凝土梁或板上，组合钢套筒预制构件内纵向放置有若干搭接钢筋，每个固定插销预制构件安装在一个搭接钢筋上，搭接钢筋上安装预制的钢筋笼，钢筋笼下部安装搭接端板预制构件，竖向搭接钢筋与钢筋笼通过固定插销预制构件与搭接端板预制构件搭接进一步固定。该技术解决了配置竖向钢筋的3D打印混凝土构造柱根部节点的施工难题，为提高3D打印混凝土竖向构件的节点强度提供施工方法。

公开号CN112709443A的专利提供了一种用于3D打印混凝土结构的整体装配式配筋打印建造方法，根据结构构件空间外型确定混凝土、筋材和连接套管的打印流程；沿打印流程形成混凝土层，并根据定时定位联结和推送程序将筋材和连接套管放入未硬化的混凝土层中并进行组装，形成空间多向连接套管整体配筋增强的3D打印混凝土结构。

可见目前对于3D打印技术的研究已逐渐成熟，并深入各个方向，但针对如何解决竖向纵筋对打印路径的障碍问题，上述技术显然并不能提供明显助益，仍需要进一步探索。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

针对现有技术中纵筋易形成障碍影响打印路径，限制混凝土竖向构件成熟应用的情况，本发明拟提供一种3D打印混凝土竖向构件配筋方法及其配筋系统，采用本发明的方法可以实现封闭箍筋，避免打印过程中在打印路径中形成障碍而造成无法打印的情形。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种3D打印混凝土竖向构件配筋方法，包括以下步骤：

S1、在预设位置打印至底部底座标高，形成底座；然后在底座上逐层打印内部混凝土，形成核心混凝土；

S2、在核心混凝土外周拼装多组骨架纵筋，每组骨架纵筋两侧均设有横向箍筋，横向箍筋的外端设有带连接孔的定位环，相邻组骨架纵筋的定位环上下交错且孔位相对，独立纵筋依次穿过上下多个定位环，从而在核心混凝土外周形成封闭式的钢筋骨架；

S3、在核心混凝土外周逐层打印外侧保护层。

更进一步地，采用分层打印方式，S1和S3中分别打印首层设计标高的核心混凝土和对应的首层设计标高的外侧保护层；然后重复上述步骤，在首层外侧保护层中心继续打印下一层核心混凝土，在下一层核心混凝土外周拼装下一层封闭式钢筋骨架，然后打印下一层外侧保护层。

更进一步地，骨架纵筋的顶端还设有中间连接件，中间连接件用于对上下层的骨架纵筋进行连接，以保障分层打印时上下层的骨架纵筋保持在同一竖直方向；同样地，独立纵筋的顶端也设有中间连接件用于连接上下层的独立纵筋。

更进一步地，多组横向箍筋转动配合安装在骨架纵筋上，且朝向同一侧的多组横向箍筋之间通过竖向的导向纵筋连接。

更进一步地，导向纵筋上，或/和横向箍筋上，或/和骨架纵筋上，或/和独立纵筋上朝向核心混凝土的一侧沿高度方向设有多组突刺。

更进一步地，打印核心混凝土时打印头每层抬升高度，小于打印外侧保护层时打印头每层抬升高度；打印外侧保护层时的挤出压力为打印核心混凝土时的1.1-1.3倍。

本发明同时提供一种3D打印混凝土竖向构件配筋系统，包括骨架纵筋，骨架纵筋的两侧沿高度方向分别间隔设有多组横向箍筋，横向箍筋的外端设有带有连接孔的定位环，上下分布的多组定位环的连接孔保持上下对应。

更进一步地，还包括独立纵筋，当相邻组骨架纵筋的横向箍筋相互靠近拼装时，不同组骨架纵筋上的定位环上下交错分布且孔位对齐，独立纵筋用于依次穿过上下多个定位环，从而将相邻组骨架纵筋连接，最终多组骨架纵筋拼装形成封闭式钢筋骨架。

更进一步地，多组横向箍筋转动配合安装在骨架纵筋上，且朝向同一侧的多组横向箍筋之间通过竖向的导向纵筋连接。

更进一步地，骨架纵筋和独立纵筋的顶端还分别设有中间连接件，中间连接件的上下两端均具有安装孔位，用于对上下层的纵筋进行连接。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

（1）本发明的混凝土竖向构件配筋方法，将钢筋骨架采用分段方式制成，打印前处于分离状态，打印时可组装成封闭状态，从而有效避免打印过程中在打印路径中形成障碍而造成无法打印的情形，解决了打印路径和配筋无法协同完成的问题，形成的环绕式封闭式箍筋也有效提高了竖向构件的抗剪切承载力，对推广3D打印竖向构件的应用和发展有积极作用。

（2）本发明的混凝土竖向构件配筋方法，可采用分层打印方式，先打印首层核心混凝土和外侧保护层，在打印下一层核心混凝土和外侧保护层，每层打印时均拼装有封闭式钢筋骨架，如此分层分段打印，有助于缓解后打印外侧保护层由于打印时间过久导致与内部核心混凝土粘接不紧密的问题。

（3）本发明的混凝土竖向构件配筋系统，多组横向箍筋可采用转动配合安装在骨架纵筋上，如此可以在同一组骨架纵筋上灵活调整两侧横向箍筋之间的角度位置，以适应核心混凝土的形状变化；朝向同一侧的多组横向箍筋之间通过竖向的导向纵筋连接，利用同一根导向纵筋将同一侧的多组可转动的横向箍筋连接，从而仅调节导向纵筋即可将多组横向箍筋的位置同时确定，避免逐一调整每个横向箍筋的位置，可简化操作。

（4）本发明的混凝土竖向构件配筋系统，纵筋的顶端还设有中间连接件，中间连接件的上下两端均具有安装孔位，用于对上下层的纵筋进行连接，以保障分层打印时上下层的纵筋保持在同一竖直方向，保障打印质量。

附图说明

图1为本发明中骨架纵筋的结构示意图；

图2为本发明中钢筋骨架封闭状态的结构示意图；

图3为本发明底层和核心混凝土完成打印的示意图；

图4是本发明混凝土竖向构件对角纵筋的布置及定位环对准后的结构示意图；

图5是本发明混凝土竖向构件独立纵筋穿过定位环后形成封闭钢筋的结构示意图；

图6是本发明混凝土竖向构件环形打印保护层结构示意图；

图7是本发明混凝土竖向构件上完成打印的结构示意图；

图8为本发明中的中间连接件的安装分布示意图；

图9为本发明中混凝土竖向构件核心混凝土第一层外部环形打印结构示意图；

图10为本发明中混凝土竖向构件核心混凝土第二层打印的结构示意图；

图11为本发明中导向纵筋的结构示意图。

示意图中的标号说明：

100、骨架纵筋；101、横向箍筋；102、定位环；103、独立纵筋；

200、核心混凝土；201、底座；202、外侧保护层；

104、导向纵筋；105、中间连接件；106、突刺。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例

结合图1-图11所示，本实施例提供的的一种3D打印混凝土竖向构件配筋方法，包括以下步骤：

S1、建筑3D打印技术如机械臂打印机，在预设位置打印至底部底座标高，形成底座201；然后在底座201上逐层打印内部混凝土，形成核心混凝土200；

S2、在核心混凝土200外周拼装多组骨架纵筋100，每组骨架纵筋100两侧均设有横向箍筋101，横向箍筋101的外端设有带连接孔的定位环102，相邻组骨架纵筋100的定位环102上下交错且孔位相对，独立纵筋103依次穿过上下多个定位环102，从而在核心混凝土200外周形成封闭式的钢筋骨架；该钢筋骨架与核心混凝土200紧密结合；

S3、采用3D打印技术在核心混凝土200外周逐层打印外侧保护层202。

本实施例同时提供一种3D打印混凝土竖向构件配筋系统，即上述配筋方法中所应用的配筋系统，包括骨架纵筋100，骨架纵筋100的两侧沿高度方向分别间隔设有多组横向箍筋101，横向箍筋101的外端设有带有连接孔的定位环102，上下分布的多组定位环102的连接孔保持上下对应。更进一步地，还包括独立纵筋103，当相邻组骨架纵筋100的横向箍筋101相互靠近拼装时，不同组骨架纵筋100上的定位环102上下交错分布且孔位对齐，独立纵筋103用于依次穿过上下多个定位环102，从而将相邻组骨架纵筋100连接，最终多组骨架纵筋100拼装形成与核心混凝土200紧密结合的封闭式钢筋骨架。

实践中对于骨架纵筋100的设计可以根据不同需求对应调整，且其上安装的横向箍筋101数量亦可对应调整，可以选择每根横向箍筋101的延伸长度一致，且每根横向箍筋101外端均设有定位环102，以便于通过独立纵筋103的插入将相邻组骨架纵筋100实现稳固连接固定。亦可在满足需求条件下，将部分横向箍筋101外端设置定位环102以满足供独立纵筋103的插入连接相邻组骨架纵筋100即可。

根据所需打印的混凝土竖向构件形状的差异，骨架纵筋100的数量可以按需调整，如图1-图7所示为呈矩形状的混凝土，对应仅需要两组骨架纵筋100和两组独立纵筋103配合即可形成封闭式的矩形钢筋骨架，如图2和图5所示，每组骨架纵筋100两侧的横向箍筋101对应呈L形分布，两组骨架纵筋100在对角位置分布，两侧的横向箍筋101相互拼接形成矩形框架，且两组骨架纵筋100上横向箍筋101的位置是上下错位分布，使得对应的定位环102上下错位分布，而连接孔则保持上下对应，再将另外对角位置的两根独立纵筋103插入对应的定位环102中，即形成封闭式的钢筋骨架包围在核心混凝土200外侧。同理，当混凝土竖向构件形状变化时，可以按此原理采用更多组骨架纵筋100进行拼接安装，并调整横向箍筋101在骨架纵筋100上的分布位置和分布角度，以在核心混凝土200外侧围城封闭式的钢筋骨架。

本实施例中将钢筋骨架采用上述分段方式制成，可以根据需要采用不同的连接方式形成可变形的钢筋骨架，打印前处于分离状态，打印时可组装成封闭状态，从而有效避免打印过程中在打印路径中形成障碍而造成无法打印的情形，解决了打印路径和配筋无法协同完成的问题，形成的环绕式封闭式箍筋也有效提高了竖向构件的抗剪切承载力，对推广3D打印竖向构件的应用和发展有积极作用。

进一步可调整地，实践中多组横向箍筋101可采用焊接方式固定安装在骨架纵筋100上，亦可采用转动配合安装在骨架纵筋100上，如此可以在同一组骨架纵筋100上灵活调整两侧横向箍筋101之间的角度位置，以适应核心混凝土200的形状变化。具体该转动配合可采用在横向箍筋101上设置安装孔穿过骨架纵筋100，以使得横向箍筋101能够转动，并在骨架纵筋100上对应高度设置限位凸块以防止横向箍筋101高度下滑即可，实践中可采用各种转动配合方式，在此不予尽述。与此相适应地，更优化的设计为，朝向同一侧的多组横向箍筋101之间通过竖向的导向纵筋104连接，利用同一根导向纵筋104将同一侧的多组可转动的横向箍筋101连接，从而仅调节导向纵筋104即可将多组横向箍筋101的位置同时确定，避免逐一调整每个横向箍筋101的位置，可简化操作。

更进一步地，导向纵筋104上，或/和横向箍筋101上，或/和骨架纵筋100上，或/和独立纵筋103上朝向核心混凝土200的一侧沿高度方向设有多组突刺106。注意，此处所述的或/和是指可在导向纵筋104、横向箍筋101、骨架纵筋100、独立纵筋103中的任一根或任几根或全部采用突刺106设计，如图11所示，从而可以进一步加强钢筋骨架与核心混凝土200的紧密粘接效果。

结合图7-图11，本实施例同时提供了一种分层打印方式，即按照上述S1-S3的步骤进行打印，S1中打印首层设计标高的核心混凝土200，一般为10min内打印过程即可完成的高度，S3中对应的首层设计标高的外侧保护层202；然后重复上述步骤，在首层外侧保护层202中心继续打印下一层核心混凝土200，在下一层核心混凝土200外周拼装下一层封闭式钢筋骨架，然后打印下一层外侧保护层202。如此分层分段打印，有助于缓解后打印外侧保护层202由于打印时间过久导致与内部核心混凝土200粘接不紧密的问题。

当采用分层打印方式时，为保障对上下层不同钢筋骨架之间的准确定位，更进一步地，骨架纵筋100的顶端还设有中间连接件105，中间连接件105的上下两端均具有安装孔位，用于对上下层的骨架纵筋100进行连接，以保障分层打印时上下层的骨架纵筋100保持在同一竖直方向；同样地，独立纵筋103的顶端也设有中间连接件105用于连接上下层的独立纵筋103。实践中可采用多种方式进行中间连接件105的设计，如将中间连接件105设为螺纹套筒结构，在骨架纵筋100和独立纵筋103的端部对应设有相配合的螺纹段，通过螺纹配合进行上下层的快速安装，此时具体打印过程为：先打印底座201，然后打印核心混凝土200到一定层高，在核心混凝土200外周拼装形成封闭式钢架骨架，并与核心混凝土200紧密结合，将中间连接件105安装在四周的纵筋顶端，包括独立纵筋103和骨架纵筋100，再打印外侧保护层202至中间连接件105位置，然后打印下一层核心混凝土200，继续拼装下一层封闭骨架，其中各个纵筋即底端对应安装在中间连接件105上保持与下方纵筋同一竖直方向位置，重复上述打印过程直至完成，可以有效提高各层外侧保护层202与内部核心混凝土200的紧密粘结。

实践中为保障打印效果，有效确保核心混凝土200的打印层间粘结强度，进一步地，打印核心混凝土200时打印头每层抬升高度，小于打印外侧保护层202时打印头每层抬升高度，以20mm的打印头为例，打印核心混凝土200时每层抬升12mm，打印外侧保护层202时在每层抬起高度为15mm；同时需要注意调节挤出压力，打印外侧保护层202时的挤出压力为打印核心混凝土200时的1.1-1.3倍，具体如1.1、1.15、1.2、1.25、1.3倍等，外侧保护层202主要起到保护层作用，一方面确保外侧保护层202打印条带不宜过厚，以25mm-30mm为宜，也有助于缩短打印时间。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，只是本发明的实施方式之一，实际并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种3D打印混凝土竖向构件配筋方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在预设位置打印至底部底座标高，形成底座（201）；然后在底座（201）上逐层打印内部混凝土，形成核心混凝土（200）；

S2、在核心混凝土（200）外周拼装多组骨架纵筋（100），每组骨架纵筋（100）两侧均设有横向箍筋（101），横向箍筋（101）的外端设有带连接孔的定位环（102），相邻组骨架纵筋（100）上的定位环（102）上下交错且孔位相对，独立纵筋（103）依次穿过上下多个定位环（102），从而在核心混凝土（200）外周形成封闭式的钢筋骨架；

S3、在核心混凝土（200）外周逐层打印外侧保护层（202）。

2.根据权利要求1所述的一种3D打印混凝土竖向构件配筋方法，其特征在于：采用分层打印方式，S1和S3中分别打印首层设计标高的核心混凝土（200）和对应的首层设计标高的外侧保护层（202）；然后重复上述步骤，在首层外侧保护层（202）中心继续打印下一层核心混凝土（200），在下一层核心混凝土（200）外周拼装下一层封闭式钢筋骨架，然后打印下一层外侧保护层（202）。

3.根据权利要求2所述的一种3D打印混凝土竖向构件配筋方法，其特征在于：骨架纵筋（100）的顶端还设有中间连接件（105），中间连接件（105）用于对上下层的骨架纵筋（100）进行连接，以保障分层打印时上下层的骨架纵筋（100）保持在同一竖直方向；同样地，独立纵筋（103）的顶端也设有中间连接件（105）用于连接上下层的独立纵筋（103）。

4.根据权利要求1所述的一种3D打印混凝土竖向构件配筋方法，其特征在于：多组横向箍筋（101）转动配合安装在骨架纵筋（100）上，且朝向同一侧的多组横向箍筋（101）之间通过竖向的导向纵筋（104）连接。

5.根据权利要求4所述的一种3D打印混凝土竖向构件配筋方法，其特征在于：导向纵筋（104）上，或/和横向箍筋（101）上，或/和骨架纵筋（100）上，或/和独立纵筋（103）上朝向核心混凝土（200）的一侧沿高度方向设有多组突刺（106）。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种3D打印混凝土竖向构件配筋方法，其特征在于：打印核心混凝土（200）时打印头每层抬升高度，小于打印外侧保护层（202）时打印头每层抬升高度；打印外侧保护层（202）时的挤出压力为打印核心混凝土（200）时的1.1-1.3倍。

7.一种3D打印混凝土竖向构件配筋系统，其特征在于：包括骨架纵筋（100），骨架纵筋（100）的两侧沿高度方向分别间隔设有多组横向箍筋（101），横向箍筋（101）的外端设有带有连接孔的定位环（102），上下分布的多组定位环（102）的连接孔保持上下对应。

8.根据权利要求7所述的一种3D打印混凝土竖向构件配筋系统，其特征在于：还包括独立纵筋（103），当相邻组骨架纵筋（100）的横向箍筋（101）相互靠近拼装时，不同组骨架纵筋（100）上的定位环（102）上下交错分布且孔位对齐，独立纵筋（103）用于依次穿过上下多个定位环（102），从而将相邻组骨架纵筋（100）连接，最终多组骨架纵筋（100）拼装形成封闭式钢筋骨架。

9.根据权利要求7所述的一种3D打印混凝土竖向构件配筋系统，其特征在于：多组横向箍筋（101）转动配合安装在骨架纵筋（100）上，且朝向同一侧的多组横向箍筋（101）之间通过竖向的导向纵筋（104）连接。

10.根据权利要求7-9任一项所述的一种3D打印混凝土竖向构件配筋系统，其特征在于：骨架纵筋（100）和独立纵筋（103）的顶端还分别设有中间连接件（105），中间连接件（105）的上下两端均具有安装孔位，用于对上下层的纵筋进行连接。