竹藤馆3D打印模板喷射混凝土施工技术与质量控制研究

王忠良

上海市崇明区建设工程安全质量监督站

摘要：新型建筑技术日新月异，现依托上海崇明“第十届中国花卉博览会”园区建设项目（03-04竹藤馆），针对异形结构，3D打印模板+喷射混凝土施工如何在一个建筑项目中得到充分有机融合进行了研究，站在监管角度，归纳完整施工工艺及难点、应对措施，提出针对这项新工艺的施工措施和技术设计。

关键词：3D打印模板；喷射混凝土；UHDC

引言

随着科技的发展和技术的进步，建筑施工技术发生了日新月异的变化，新技术推动了建筑的革新，热门的3D打印技术这一新科技元素融入建筑中，对建筑行业，必会产生巨大的影响和变化。3D打印技术在建筑中的广泛应用，房屋的建造周期大大缩短，施工效率将极大的提高，有效节省房屋建造的人力、物力、财力等各项资源，建造出绿色环保、节约资源的新型建筑。

然而就如何将3D打印模板与喷射混凝土技术融合需要重点研究予以解决。因此通过上海崇明“第十届中国花卉博览会”园区建设项目（03-04竹藤馆）研究分析，深入了解3D打印模板+喷射混凝土的施工工艺及流程，针对施工中的难点进行分析并提出应对措施，为今后类似工程提供宝贵经验。

1 工程概括

花博会地区总体规划面积约991.01 公顷。其中，花博园占地面积约316.51 公顷，由主展区和西南拓展区共同组成。主展区位于园北路以南，新北沿公路以北，林风公路以西，园西路以东的区域。

竹藤馆麻雀虽小五脏俱全，以竹器的编织特性为概念原点，建筑形态上采用椭圆形为原型，通过多个套叠的椭圆放样形成具有一个缺口的竹茧形态，呼应破茧为蝶的寓意

竹藤馆总用地面积为10000平方米，总建筑面积340平方米。地上为剪力墙结构，地下为半地室，最高处15.4米。基础形式为天然基础，地下室外墙采用天然条形基础。

图1 竹藤馆效果图

2 施工工艺流程

工艺流程共分为九部分，前期图纸深化→脚手架安装→3D打印模板安装→门窗套安装→预埋件安装→保温喷涂→砂浆找平层→涂膜防水→混凝土喷涂→表面收光→室内防火涂料喷涂。

2.1 前期图纸深化

以原设计为依据，提前发现图纸矛盾，并对机电点位、门窗洞口以及结合现场施工工艺需求在3D打印模板图纸上进行预留预埋深化工作。

2.2 脚手架安装

脚手架围绕主体结构环绕布置，脚手架需从顶部跨越，覆盖顶部。顶部挂一层防雨布，用于雨天防雨。

2.3 3D打印模板安装

3D打印模板从中间跨向两侧安装。先定位接地一圈，再从矮一侧向高一侧进行安装。打印模板定位采用与底部基础植筋位置进行相对定位。

2.4 临时内支撑架安装

在打印模板内侧安装临时内支撑架，用于保证施工过程中模板的稳定性。

2.5 门窗套和预埋管线安装
根据打印模板所留洞口安装钢门窗套。打印模板上方由机电单位安装预埋管线。

2.6 预埋件安装

根据打印模板上所留洞口安装预埋件。

2.7 喷涂保温

在模板和钢门窗套上喷涂保温材料。

2.8 砂浆找平层

保温层上进行水泥砂浆找平。

2.9 涂膜防水

找平层上覆盖涂膜防水。

2.10 UHDC混凝土喷涂

涂膜防水完成后进行喷射混凝土。表面使用喷射混凝土慢速薄喷一层作为完成面。

2.11 室内拆架，内表面喷涂防火涂料

3 施工难点分析

3.1 模板拼装

采用3D打印技术预制、定制模板作为异形拱形结构的分块模板，现场吊装、定位难免存在困难，且分块打印模板拼接严密性要求高。由于展厅结构不规则的拱形，脚手架搭设高度不一致，做不到一步到位，故现场架体搭设及高度控制不易。

3.2 UHDC混凝土喷射

面对UHDC无配筋超高延性混凝土这一新材料的施工在喷射作业时，还是存在很多困难，例如配合比控制和厚度控制。首先，由于没有钢筋，混凝土的吸附情况多变，现场温度和湿度存在不确定性，配合比不对，就很难吸附，下滑明显，配合比的控制难度大。其次，由于混凝土是喷射的，厚度的控制不像人工那样好控制，故厚度控制不易。

4 应对措施

4.1结合BIM技术

将BIM与3D打印技术相结合，通过打印混凝土的模板，完成混凝土异形拱形结构的造型，在模板制作及定位、拼接严密性等方面存在的问题进行了有效的解决，混凝土浇筑的施工精度得到了提高，结构施工质量得到了保证；同时通过对异形拱形结构进行力学模拟分析和模板厚度优化，实现以最少的3D打印材料完成相应的受力要求，优化材料用量。

可有效解决异形拱形结构建造中支模困难的难题，使建模和受力分析过程更贴合于实际，缩短工期、简化施工程序、节约建筑成本。

4.2 样板先行

面对如此崭新的一项技术，在施工前首先进行了样板试验，摸索难点及时找到处理方案，样板试验结束后才进行现场施工。

UHDC无配筋超高延性混凝土组分中不含粗骨料，其配合比计算与普通混凝土有一定差异，其水胶比和砂胶比均根据样板试验结果确定，不能直接按现行行业标准规定计算，根据试验得到UHDC无配筋超高延性混凝土水胶比一般都在0.4以下，砂胶比也控制在0.8以下。

UHDC无配筋超高延性混凝土初凝时间不低于40min，当温度较高时，施工过程中拌合物的水分蒸发较快，应适当缩短拌合物的使用时间，施工过程中加水会严重影响其性能，造成很大危害。还应当注意结构的连续性，不在构件阳角处留施工冷封。UHDC无配筋超高延性混凝土表面失水太快同样会产生细微裂缝，因此，施工完成后应及时采取保湿养护措施。

4.3 巧搭架体，模板拼装

3D打印拼装搭设时的架子搭设及高度控制有一定难度。现场根据模型五等分，取5个标高点，架体按照五个标高进行统一搭设，搭设到对应标高后，确保架体稳定安全，符合标准的前提下，根据模板封顶高度及时进行校准高度。脚手架环绕主体结构布置，操作空间预留1.1m，顶部需跨过主体结构，方便顶部喷涂，顶部安装雨布覆盖整个施工区域，雨布单向斜向布置，方便排水。

3D打印模板材料为一种改性ABS塑料，总计319块，由于每块板形状尺寸大小均不一致，故按深化模型制作，尺寸信息以深化模型为准；3D打印模板先定位接地一圈，再从矮一侧向高一侧进行安装，以相对基础植筋位置进行定位，模板外侧距离植筋内侧距离应为102mm；3D打印模板之间错缝搭接，横向采用M8螺栓连接，纵向之间采用平角码连接，连接孔现场根据安装位置打，M8螺栓不少于40cm一个；横向连接的M8螺栓上连接80*30*3角码，用于连接模板与喷射混凝土结构层；预留挂点将在模板上制作好标记，现场开洞埋挂件；施工过程中模板与地面采用L型角码临时固定。

临时内支撑使用40角钢现场焊接；角钢和打印板支撑部分与打印模板之间需采用木板垫片，防止钢架损坏打印模板；临时内支撑架数量为每隔一品打印模板布置一品支撑架，支撑架之间需横向连接。

4.4 控制配合比及厚度

UHDC无配筋超高延性混凝土的配合比根据现场的温度湿度要进行微调，厚度根据预先固定角码控制。现场混凝土多台强制式搅拌机搅拌，搅拌机转速不小于45r/min,并配有纤维专用计量和投料设备。投料顺序严格按如下顺序：先加入全部水，在搅拌过程中假如干骨料（骨料、水泥、矿物参合料等），待拌合物搅拌均匀后加入纤维，采取措施是纤维分散均匀、手摸无聚团后停止搅拌。

预先进行喷射样板试验，多层喷射，以堆积不下滑为标准要点进行试验。试验得出最终有效配合比及每层喷射厚度。

喷射混凝土分7层喷射完成，每层需连续喷涂完成，中间不可有冷缝；总厚度75mm，前四层每层按约15mm左右的厚度施工，后两层按约7.5mm左右的厚度施工；为保证上下层有较好的粘结面，层与层之间不允许收光；待材料终凝后涂刷SP底涂养护；最后一层喷射混凝土为完成面，需按设计要求效果慢速喷涂；施工过程中需做好防水措施。

喷射厚度则是预先固定角码，布置一定数量的角码来对厚度有效地控制。

5 施工工艺成果

应用了3D打印模板+喷射混凝土的新型数字建造工艺。为了精准实现异形拱形结构成型，采用了3D打印模板技术，配合喷射混凝土工艺，可以实现异形拱形结构的高效精准施工。高精度高效模板搭建,3D打印模板精度高，重量轻,现场可以实现模板快速精准搭建;主体结构施工与装饰一体化，3D打印模板在完成模板功能后,将继续保留下来作为室内装饰造型,绿色节材;喷射混凝土快速施工,主体结构采用喷射混凝土施工，配合3D打印模板实现快速精准施工。

6 结论

通过竹藤馆展厅结构的实际施工，发现了一些技术难点，得到一套完整的施工工艺流程，为后续类似项目提供经验支持，有利于该工艺在建筑行业推广和发展。喷射型 UHDC 超高延性混凝土用于建筑新建结构中属于国内首次，成功应用将带来良好的正面社会影响。

参考文献：

[1]高延性混凝土应用技术标准[S]. DB62/T 3159-2019.

[2]谭萍.BIM-3D打印技术在异形混凝土构件施工中的应用研究[D].山西：中北大学，2019.