一种3D打印的预制墙模块、墙体及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种3D打印的预制墙模块、墙体及其施工方法，属于建筑工程技术领域。

背景技术

传统建筑行业环境污染严重，资源浪费严重，而且对不可再生资源消耗大，违背建筑节能绿色发展的方向。通过技术革新，改变建筑行业的现有模式，可以推动建筑行业转型升级，这是建设资源节约型社会和环境友好型社会的的必然要求。传统建筑行业属于劳动密集型产业，随着我国人口老龄化，劳动力短缺，人口红利下降，劳动力价格攀升，建设成本居高不下，对建筑行业造成严重影响。3D打印技术因为其机械化生产，劳动效率高，可以大大缓解劳动力短缺的问题，日后3D打印技术有望大规模在建筑行业推广实施。

据有关数据统计，施工现场大约15％的建造成本与模板有关，3D打印因其技术特点可以做到无模支护，大大减少施工现场模板的消耗，有利于降低建造成本。3D打印技术可以结合优化技术，可以充分发挥材料的性能，减轻构件自重，真正做到精益建造。

传统的墙体砌筑工作量大，劳动力需求多，并且需要留出马牙槎铺设模板，浇筑混凝土形成构造柱，工序复杂。在需要砌筑曲线墙体或者其他异形墙体时，砌筑难度大，对砌筑工人要求高，花费时间长。3D打印可以个性化定制，将拆分好的模型导入切片软件生成代码，导入代码到打印机打印便可以实现。

将墙体运用3D打印技术进行整面打印，打印时间长，为了使材料能够顺利挤出，对材料初凝时间要求高，并且打印过程中容易出现断裂，构件过高打印还容易出现坍塌，对墙体的质量影响大。如果采用工厂预制生产整体墙，3D打印整体墙还需要动用大型吊装设备进行安装就位，增大成本。

因此，如何有效经济地将3D打印技术应用于墙体生产中，提升墙体的整体强度，减少模板的使用，是3D打印技术与建筑技术相结合必须要解决的技术问题。

发明内容

为了克服3D打印整体墙所存在的问题，增强墙体的整体性，提高墙体的抗震性能，减少建筑材料的消耗，本发明提供一种3D打印的预制墙模块。具体技术方案如下。

一种3D打印的预制墙模块，通过3D打印一体成型，其特征在于，包括：

模块主体和接合部；

所述模块主体包括相对设置的侧壁和连接所述侧壁端部的横隔板，所述侧壁和所述横隔板围成一个中空腔体；

所述模块主体的每一个端部设置所述接合部，每一个端部具有两个相对设置的侧壁和一个横隔板，所述接合部包括依次相连的侧壁延伸部、第一延伸部、第二延伸部和第三延伸部，所述侧壁延伸部从其中一个侧壁的端部沿着该侧壁延伸方向延伸，所述第一延伸部沿着所述横隔板的延伸方向延伸，所述第二延伸部沿着该侧壁延伸方向延伸，所述第三延伸部沿着所述横隔板的延伸方向延伸；所述第三延伸部位于所述横隔板和所述第一延伸部之间，所述第三延伸部和所述侧壁延伸部之间具有间隙。

采用上述的技术方案，可以将整体墙分拆为若干个3D打印的预制墙模块，水平相邻预制墙模块通过接合部拼装形成整体墙或者整体墙的一部分。接合部从竖直方向观察大致呈弯钩形，采用这种形式的接合部可以使水平相邻预制墙模块形成自锁，水平相邻预制墙模块在垂直于竖直方向的各个方向上均相互制约，从而极大地提高了整体墙的结构强度和抗震性，也特别适用于曲线墙体或者其他异形墙体的砌筑。接合部的特殊形式通过3D打印的方式来制作是十分简单且高效的，由于预制墙模块采用中空腔体，减少了材料的消耗，降低了自重，有利于实现精益建造，符合绿色建造的要求。

进一步地，所述模块主体从竖直方向观察呈一字型、弧形、丁字形或十字形。

进一步地，所述中空腔体中设置加强肋，加强肋连接相对设置的所述侧壁。加强肋起到加强墙体刚度，提高墙体稳定性的作用。

进一步地，所述预制墙模块分为上层预制墙模块和下层预制墙模块，下层预制墙模块的所述侧壁和侧壁延伸部的顶面平齐，下层预制墙模块的所述横隔板、第一延伸部、第二延伸部和第三延伸部的顶面平齐，所述侧壁的顶面高于所述横隔板的顶面，所述下层预制墙模块的底面平齐；上层预制墙模块的所述侧壁和侧壁延伸部的底面平齐，上层预制墙模块的所述横隔板、第一延伸部、第二延伸部和第三延伸部的底面平齐，所述侧壁的底面高于所述横隔板的底面，所述上层预制墙模块的顶面平齐。这样当上层预制墙模块和下层预制墙模块上下连接时，上层预制墙模块可以嵌入到下层预制墙模块上，提升连接强度，而且这种预制墙模块的3D打印不需要使用模具，直接下层预制墙模块的顶部打印出“凹”结构；打印上层预制墙模块时，将上层预制墙模块上下颠倒后打印，打印后再将上层预制墙模块颠倒形成底部的“凸”结构。

进一步地，所述侧壁的内表面设置有保温材料。这样在墙体完成拼装完成后，不再需要单独制作保温层，减少了施工工序，加快了建造速度。

进一步地，所述侧壁的表面具有凹凸纹路。凹凸纹路有利于在侧壁的表面上增加其他结构，比如保温层或者填充混凝土等。

进一步地，所述预制墙模块的材料包括水泥基材、骨料、减水剂、消泡剂、聚丙烯纤维、防水剂。水泥基材为粘合剂，骨料采用中砂或/和细砂，添加减水剂、消泡剂等添加剂，使得材料具有可打印性、可工作性，能够短期内快速形成一定强度支撑后续层沉积，并且添加一定量的聚丙烯纤维，可以提高材料韧性，减小收缩徐变，防水剂可以起到防水的作用。

基于同一发明构思，本发明还涉及一种墙体，所述墙体包括上述若干个预制墙模块，水平方向上相邻预制墙模块通过接合部相连，竖直方向上相邻预制墙模块之间设置有水平钢筋，所述水平钢筋的端部锚固在立柱内，所述水平钢筋位于相对设置的侧壁之间。水平钢筋可以增加墙体与柱体的整体性，提高墙体的稳定性，水平钢筋有利增强腔体的抗剪能力，在一定程度上有利于保护接合部，防止其受到过大集中应力。

进一步地，竖直方向上相邻预制墙模块的接合部相互错开。这样可以防止接合部处于同一竖直方向上，沿竖直方向形成马牙槎形状，有利于提高墙体的整体强度。

进一步地，所述墙体中设置立柱钢筋笼，所述立柱钢筋笼贯穿竖直方向的预制墙模块的中空腔体，利用预制墙模块作为模板浇筑混凝土在墙体内形成立柱。

进一步地，所述墙体为丁字墙，丁字墙处的模块主体从竖直方向观察呈丁字形，丁字形的模块主体的中空腔体中设置有立柱钢筋笼，利用预制墙模块的侧壁作为模板浇筑混凝土在墙体内形成立柱。

进一步地，所述墙体为十字墙，十字墙处的模块主体从竖直方向观察呈十字形，十字形的模块主体的中空腔体中设置有立柱钢筋笼，利用预制墙模块的侧壁作为模板浇筑混凝土在墙体内形成立柱。

进一步地，所述墙体内沿着水平方向间隔设置有若干竖向钢筋，所述竖向钢筋与所述水平钢筋绑扎和/或焊接连接，所述墙体的中空腔体中填充混凝土。

基于同一发明构思，本发明还涉及一种墙体的施工方法，所述墙体包括若干上述的预制墙模块，所述施工方法主要包括以下步骤：安装立柱钢筋笼和/或竖向钢筋，将第一层的预制墙模块依次拼装，所述立柱钢筋笼和/或竖向钢筋位于所述预制墙模块的中空腔体中，上下相邻两层预制墙模块之间安装水平钢筋，所述水平钢筋的端部锚固在立柱中，和/或所述水平钢筋与竖向钢筋绑扎和/或焊接连接，逐层拼装预制墙模块直至完成整个墙体的拼装，浇筑混凝土形成立柱和/或承重墙。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

1.本发明基于3D打印制作预制墙模块，使用较少的材料实现较高的强度；在制作预制墙模块的同时，可以将墙体的保温隔热同时制作，相比传统砌筑工程，减少施工工序，加快建造速度。

2.本发明基于3D打印制作预制墙模块，将腔体在电脑进行拆分成合适的节段，预先确定构造柱(立柱)的位置，然后分段打印，能够对每段墙(每个预制墙模块)进行精确定制，精度高、效果好。相比传统砌筑工程，墙体质量易受施工水平影响，不确定性高。尤其是对于具有复杂形状或者曲面的墙体，3D打印具有不可比拟的优势，有利于实现精益建造。

3.同一层的预制墙模块通过接合部形成自锁连接，使得墙体在水平方向上既能够承受较大的压应力，又能承受较大的拉应力以及剪切力；上下层预制墙模块通过嵌固的方式结合，减少了水平通缝，且上下相邻预制墙模块的接合部相互错开(形成类似马牙槎形状)，上下相邻预制墙模块之间设置有锚固于立柱中的水平钢筋，通过上述措施可以提升墙体的整体性，尤其是可以提高墙体的抗震性能。

4.对于需要在墙体内形成立柱(暗柱)，或者在丁字墙、十字墙的角部形成立柱，或者形成组合承重墙时，直接利用预制墙模块作为免拆模板，不需要额外铺设模板，做到无模支护，提升了施工效率，节约了资源和成本。

5.相比墙体的3D打印一次性制作，一次打印成型时间长，对材料初凝时间和流动性提出了巨大的要求，造成成本上升；而且打印时间过长，不可避免在打印时会出现打印丝断裂，构件打印过高导致打印坍塌；如果采用工厂预制生产整个墙体，墙体安装势必需要大型吊装设备，造成成本增大。现有生产力水平下，采用拼装3D打印的预制墙模块只需少许人工和中小型机械设备即可完成。提高施工效率的同时，经济效益更高。

附图说明

图1是本发明的下层预制墙模块的立体示意图；

图2是本发明的预制墙模块的俯视图；

图3是本发明的预制墙模块变形例的俯视图；

图4是本发明的丁字形预制墙模块的俯视图；

图5是本发明的上层预制墙模块的底部示意图(上层预制墙模块上下颠倒状态)；

图6是一字墙的示意图；

图7是具有立柱的一字墙示意图；

图8是丁字墙的示意图；

图9是十字墙的示意图；

图10是曲面墙的示意图；

图11是圆形墙的示意图；

图12是承重墙的示意图。

图中：侧壁1、横隔板2、中空腔体3、加强肋4、水平钢筋5、接合部6、侧壁延伸部6.1、第一延伸部6.2、第二延伸部6.3、第三延伸部6.4、立柱钢筋笼7、竖向钢筋8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参见图1-5，一种3D打印的预制墙模块，通过3D打印一体成型，包括模块主体和接合部6；模块主体包括相对设置的侧壁1和连接侧壁1端部的横隔板2，侧壁1和横隔板2围成一个中空腔体3，模块主体从竖直方向观察呈一字型(图1)、弧形、丁字形(图4)或十字形等形状；

模块主体的每一个端部设置接合部6，每一个端部具有两个相对设置的侧壁1和一个横隔板2，接合部6包括依次相连的侧壁延伸部6.1、第一延伸部6.2、第二延伸部6.3和第三延伸部6.4，侧壁延伸部6.1从其中一个侧壁1的端部沿着该侧壁延伸方向延伸，第一延伸部6.2沿着横隔板2的延伸方向延伸，第二延伸部6.3沿着该侧壁1延伸方向延伸，第三延伸部6.4沿着横隔板2的延伸方向延伸；第三延伸部6.4位于横隔板2和第一延伸部6.2之间，第三延伸部6.4和侧壁延伸部6.1之间具有间隙，接合部6从竖直方向观察大致呈弯钩形。每一个接合部6的形状和尺寸完全相同，相邻预制墙模块通过接合部6进行拼装，为了保障拼装后的预制墙模块的侧壁1大致位于同一平面或曲面内，第二延伸部6.3到其中一个侧壁1的外表面的距离大致等于侧壁延伸部6.1的厚度。其中，一字墙的两个接合部6的方位可以不同(图2)，也可以相同(图3).

侧壁1的表面(内表面和/或外表面)具有凹凸纹路。凹凸纹路有利于在侧壁的表面上增加其他结构，比如保温层或者填充混凝土等。

预制墙模块的材料包括水泥基材、骨料、减水剂、消泡剂、聚丙烯纤维、防水剂。水泥基材为粘合剂，骨料采用中砂或/和细砂，添加减水剂、消泡剂等添加剂，使得材料具有可打印性、可工作性，能够短期内快速形成一定强度支撑后续层沉积，并且添加一定量的聚丙烯纤维，可以提高材料韧性，减小收缩徐变，防水剂可以起到防水的作用。

优选地，中空腔体3中设置加强肋4，加强肋4连接相对设置的两个侧壁1。加强肋4起到加强墙体刚度，提高墙体稳定性的作用。对于需要设置竖向钢筋或者立柱钢筋笼的中空腔体，可以取消部分或全部加强肋4。

参见图1，下层预制墙模块的侧壁1和侧壁延伸部6.1的顶面平齐，横隔板2、第一延伸部6.2、第二延伸部6.3和第三延伸部6.4的顶面平齐，侧壁1的顶面高于横隔板2的顶面，高出1-2条打印层的高度，所述下层预制墙模块的底面平齐；

参见图5(上层预制墙模块处于上下颠倒状态)，上层预制墙模块的侧壁1和侧壁延伸部6.1的底面平齐，横隔板2、第一延伸部6.2、第二延伸部6.3和第三延伸部6.4的底面平齐，侧壁1的底面高于横隔板2的底面，高出1-2条打印层的高度，所述上层预制墙模块的顶面平齐。这样当预制墙模块上下连接时，上层预制墙模块可以嵌入到下层预制墙模块上。当然本领域技术人员可以理解的是：墙体可以由一层或多层预制墙模块组成。

优选地，侧壁1的内表面设置有保温材料。这样在墙体完成拼装完成后，不再需要单独制作保温层，减少了施工工序，加快了建造速度。

参见图6，一字型墙体由若干个上述预制墙模块组装而成，该墙体包括多层预制墙模块，水平相邻的预制墙模块通过接合部6拼装连接。上层预制墙模块和下层预制墙模块通过嵌固连接，上下相邻预制墙模块之间设置有水平钢筋5，水平钢筋5的端部锚固在立柱内，水平钢筋5位于相对设置的侧壁1之间，可以在上下层预制墙模块连接处铺设适量水泥砂浆，提高上下层的粘接强度。中空腔体3在制作时可以沿着侧壁1的内表面或外表面可以铺设一层保温隔热材料，减少后续施工工序，提高施工效率；或者可以按照传统的施工工艺，在墙体成型后，在侧壁1的外表面铺设一层保温隔热材料。需要说明的是：可以将墙体分割为一层预制墙模块，取消上下层的连接节点，墙体的整体性将更好。

在一个实施方式中，如图7所示，在一字墙中设置立柱，立柱所在位置的预制墙模块的模块主体没有加强肋4，模块主体的中空腔体3设置有立柱钢筋笼7，立柱钢筋笼7贯穿竖直方向的预制墙模块的中空腔体3，利用预制墙模块作为模板浇筑混凝土在墙体内形成立柱，侧壁1作为立柱的永久模板。立柱所在位置的预制墙模块采用两种不同长度，即竖直方向上相邻预制墙模块的接合部6相互错开，沿高度方向形成马牙槎形状，每一层预制墙模块的拼装从构造柱8位置开始，逐层安装预制墙模块。

在另一个实施方式中，如图8所示，在丁字墙中设置立柱，丁字墙处的模块主体从竖直方向观察呈丁字形，丁字形的模块主体的中空腔体3中设置有立柱钢筋笼7，利用预制墙模块的侧壁1作为模板浇筑混凝土在墙体内形成立柱。

在另一个实施方式中，如图9所示，在十字墙中设置立柱，十字墙处的模块主体从竖直方向观察呈十字形，十字形的模块主体的中空腔体3中设置有立柱钢筋笼7，利用预制墙模块的侧壁1作为模板浇筑混凝土在墙体内形成立柱。

在另一个实施方式中，如图10所示，墙体为没有立柱的曲线型整体，对于曲线型墙体或者其他异形墙体，首先要合理分割好合适的节段，避免在曲率较大的地方连接，分别打印分割的预制墙模块拼装后形成曲线型墙体。

在另一个实施方式中，如图11所示，预制墙模块拼装成没有立柱的圆形组合墙体。同一层的预制墙模块首尾依次通过接合部连接，组成自锁的圆形墙体。该圆形组合墙体可以用作降水井的圆周墙体或者用于人工挖孔桩的护壁等用途，具有施工效率高，结构稳定性好的特点。

在另一个实施方式中，如图12所示，预制墙模块拼装成具有若干竖向钢筋8和水平钢筋5的组合承重墙，通过3D打印的预制墙模块作为永久免拆模板，侧壁1、横隔板2与加强肋4之间形成的墙体空腔用来放置竖向钢筋8，后期通过浇筑混凝土密实形成承重墙体，水平钢筋5位于位于相对设置的侧壁1之间且位于竖向钢筋8的外侧，与竖向钢筋8进行绑扎和/或焊接连接，水平钢筋5可形成钢筋网形式，如方格钢筋网形式或者连弯栅式钢筋网形式。3D打印的预制墙模块作为永久免拆模板，侧壁1、横隔板2与加强肋4的表面均具有凹凸纹路，现浇混凝土与预制墙模块能够很好粘接。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。