[发明专利]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

说明书

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。

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。