本發(fā)明屬于巖土工程領(lǐng)域，涉及樁基施工技術(shù)，尤其涉及樁基的現(xiàn)場(chǎng)3D打印系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

3D打印是一種新型的快速增材制造技術(shù)，其可以將電子藍(lán)圖配以耗材精確地打印出實(shí)體，具有成型快、污染小、節(jié)約材料和產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。目前該項(xiàng)技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域的發(fā)展日趨成熟，雖未產(chǎn)業(yè)化，但已能在既有基礎(chǔ)上獨(dú)立打印出低層建筑實(shí)體。

樁基礎(chǔ)按施工方法可分為灌注樁和預(yù)制樁兩大類(lèi)。其中灌注樁需要提前通過(guò)機(jī)械鉆孔、鋼管擠土或人力挖掘等手段在地基土中先形成樁孔，再下放鋼筋籠然后灌注混凝土。在這過(guò)程中，由于地下土質(zhì)條件的復(fù)雜及不確定性，灌注樁成樁質(zhì)量難控制，常容易出現(xiàn)斷樁、縮頸、孔底虛土或沉渣厚等質(zhì)量問(wèn)題，而當(dāng)為特殊異形截面灌注樁（如X形樁、大直徑管樁等）時(shí)，一般需要模具，當(dāng)拔出模具時(shí)，樁身質(zhì)量更是難以控制；相比之下，預(yù)制樁雖然樁身質(zhì)量較佳，但由于設(shè)計(jì)深度的不確定性和運(yùn)輸?shù)跹b等的限制，其樁長(zhǎng)較固定（6~12m），在施工時(shí)往往需要接樁、截樁，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且會(huì)造成不必要的材料浪費(fèi)。此外，對(duì)于一些內(nèi)部具有細(xì)部結(jié)構(gòu)的特殊樁基（如能量樁等），一次制模成型困難，還將面臨二次施工等問(wèn)題。

針對(duì)上述傳統(tǒng)樁基施工中的缺陷與不足，并且為滿(mǎn)足目前特殊樁基越來(lái)越高的施工要求，有待發(fā)揮3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)出一種可適用于常規(guī)樁基和特殊樁基的新型樁基現(xiàn)場(chǎng)施工系統(tǒng)及方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種適用于常規(guī)樁基和特殊樁基的現(xiàn)場(chǎng)3D打印系統(tǒng)及方法，其既能保留預(yù)制樁樁身質(zhì)量均一的優(yōu)點(diǎn)，還能像灌注樁一樣在現(xiàn)場(chǎng)直接制作施工，無(wú)需模板，無(wú)需運(yùn)輸，并且除了可節(jié)省材料之外，還能精確滿(mǎn)足特殊樁基對(duì)截面形式及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等的施工要求。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于3D打印的樁基現(xiàn)場(chǎng)施工系統(tǒng)及其施工方法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的基于3D打印的樁基現(xiàn)場(chǎng)施工系統(tǒng)，包括供料單元、行走控制單元、吊裝導(dǎo)向單元、打印單元和沉樁單元，其特征在于：所述吊裝導(dǎo)向單元、打印單元和沉樁單元安裝在行走控制單元上，所述行走控制單元用于在地面整體行駛移動(dòng)，所述供料單元與打印單元相連接。

其中，供料單元包括配料罐、耗材罐和輸料管，所述供料單元的輸料管和數(shù)據(jù)線與打印單元相連接，所述供料單元固定安裝在施工現(xiàn)場(chǎng)。供料單元也可以安裝在行走控制單元上。供料單元分別與行走控制單元通過(guò)數(shù)據(jù)線相連，起到進(jìn)料自動(dòng)化的作用；與打印單元通過(guò)輸料管相連，起到供料的作用；與沉樁單元中的高壓水槍通過(guò)水管相連，用于射水沉樁的供水。所述行走控制單元、吊裝導(dǎo)向單元、打印單元和沉樁單元集成于一體，可通過(guò)行走控制單元在地面整體行駛移動(dòng)。

具體地，所述供料單元包括若干個(gè)配料罐、耗材罐和輸料管，所需原材料存放在對(duì)應(yīng)的配料罐中，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)輸入比例后，電腦自動(dòng)配料，同時(shí)控制用量。

具體地，所述行走控制單元包括地面走行機(jī)構(gòu)、電腦控制主機(jī)、電源、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于控制供料單元的材料用量、耗材供應(yīng)速度、鋼筋籠位置的反饋調(diào)節(jié)、重錘高度、重錘振動(dòng)頻率、吊臂的移動(dòng)和打印單元的移動(dòng)。

具體地，所述吊裝導(dǎo)向單元包括導(dǎo)向架、吊臂和支座。所述導(dǎo)向架具有滑軌（便于重錘和打印單元的上下移動(dòng)）和夾具（可固定鋼筋籠）；所述吊臂用于吊裝鋼筋籠就位；所述支座用于保持導(dǎo)向架的穩(wěn)定性。

具體地，所述打印單元固定在導(dǎo)向架滑軌中部，該單元整體可根據(jù)打印需要上下移動(dòng)，包括打印噴頭（用于打印樁身外殼）、澆筑噴頭（用于樁身外殼打印完成后，往里面灌注混凝土）和OXYZ向打印支架（用于噴頭的三維移動(dòng)）。

具體地，所述沉樁單元包括預(yù)制樁尖、高壓水槍?zhuān)ㄓ糜谏渌翗叮┖椭劐N（用于振動(dòng)沉樁也可用作重錘打樁）。當(dāng)導(dǎo)向架頂端吊臂正在吊裝鋼筋籠時(shí)，重錘轉(zhuǎn)至導(dǎo)向架外側(cè)，空出導(dǎo)向架的內(nèi)部空間，便于鋼筋籠的就位。

具體地，所述傳感器分別安裝在供料單元（用于測(cè)算材料用量及材料供應(yīng)速度）、重錘（用于測(cè)算重錘高度、打擊力度和振動(dòng)頻率等）、導(dǎo)向架上部（用于測(cè)量鋼筋籠吊裝進(jìn)入導(dǎo)向架中的位置，便于打印時(shí)精確定位）及其它需要傳感器的部位。

具體地，所述電腦控制單元中安裝有3D打印配套軟件，可進(jìn)行打印單元的相關(guān)控制和設(shè)置，包括打印初始化、調(diào)平、定位、打印速度、灌注速度和打印方式等。

本發(fā)明同時(shí)提供上述基于3D打印的樁基現(xiàn)場(chǎng)施工方法，包括以下步驟：

（1）樁基建模：通過(guò)3dsmax等三維建模軟件建立特殊樁基的三維立體模型，將其轉(zhuǎn)換成STL格式導(dǎo)入3D打印軟件中進(jìn)行切片處理。

（2）現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備：包括設(shè)備就位、配制耗材、現(xiàn)場(chǎng)綁扎鋼筋籠、打印初始化和系統(tǒng)整體調(diào)試等。

（3）樁尖就位：選用滿(mǎn)足特殊樁基沉樁要求的預(yù)制樁尖，將其安裝在導(dǎo)向架下部的沉樁單元處。

（4）鋼筋籠定位：吊裝一節(jié)鋼筋籠，將其通過(guò)夾具固定在導(dǎo)向架上，根據(jù)所建立樁基模型坐標(biāo)定位鋼筋籠位置，調(diào)整固定。

（5）分節(jié)打?。涸陔娔X控制主機(jī)上通過(guò)3D打印操作軟件對(duì)打印速度和打印模式等進(jìn)行設(shè)置。最開(kāi)始打印時(shí)，打印噴頭從預(yù)制樁尖處開(kāi)始打印，當(dāng)打印完該節(jié)鋼筋籠時(shí)自動(dòng)停止；后續(xù)打印時(shí)，打印噴頭從上節(jié)鋼筋籠停止處開(kāi)始打印，當(dāng)打印完該節(jié)鋼筋籠時(shí)自動(dòng)停止。這里需要說(shuō)明的是為了加快打印速度，在打印噴頭打印出來(lái)該節(jié)樁基外殼后，澆筑噴頭直接往里面澆筑速凝混凝土進(jìn)行填充。

（6）沉樁：對(duì)步驟（5）中完成打印的單節(jié)樁基進(jìn)行快速養(yǎng)護(hù)，當(dāng)速凝混凝土達(dá)到沉樁要求強(qiáng)度后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件（土質(zhì)情況及周?chē)ㄖ龋┩ㄟ^(guò)沉樁單元采用射水沉樁、振動(dòng)沉樁、打樁或其中兩兩相結(jié)合的方式，進(jìn)行該節(jié)樁基的沉樁施工。當(dāng)在砂夾卵石層或堅(jiān)硬土層中，一般以射水為主，錘擊或振動(dòng)為輔；在亞黏土或黏土中，未避免降低承載力，一般以錘擊或振動(dòng)為主。

（7）接樁：當(dāng)上節(jié)樁基沉樁施工完成后，吊裝下節(jié)鋼筋籠并進(jìn)行固定定位，采用綁扎或焊接等方式進(jìn)行鋼筋籠的連接，然后執(zhí)行步驟（5），進(jìn)行分節(jié)打印，完成接樁。

（8）重復(fù)：重復(fù)步驟（6）~（7），直至達(dá)到設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)。

（9）結(jié)束移位：當(dāng)完成該根樁的施工后，對(duì)其樁頭處進(jìn)行檢查清理，并將施工系統(tǒng)移至下一樁位。

有益效果：本發(fā)明的基于3D打印的樁基現(xiàn)場(chǎng)施工系統(tǒng)及方法，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程需要制作并施工相應(yīng)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度及形式的樁基礎(chǔ)，其既能保留預(yù)制樁樁身質(zhì)量均一的優(yōu)點(diǎn)，還能像灌注樁一樣在現(xiàn)場(chǎng)直接制作施工，無(wú)需模板、無(wú)需運(yùn)輸，并且除了可節(jié)省材料之外，還能精確滿(mǎn)足特殊樁基對(duì)截面形式及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等的施工要求。

具體地，本發(fā)明相對(duì)于預(yù)制樁，除了能保留其樁身質(zhì)量均一的優(yōu)點(diǎn)外，還不受傳統(tǒng)預(yù)制方樁、圓樁等樁型的限制，可定制性強(qiáng)，并且其制作無(wú)需模板，無(wú)需運(yùn)輸和吊裝成樁，更不用對(duì)成樁進(jìn)行截樁和接樁，可以節(jié)省大量的混凝土材料，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

具體地，本發(fā)明相對(duì)于灌注樁，除了能保留其現(xiàn)場(chǎng)直接施工的便捷性外，由于本發(fā)明是先成樁后沉樁，其可以解決灌注樁常出現(xiàn)的沉樁質(zhì)量問(wèn)題，避免斷樁、縮頸、孔底虛土或沉渣厚等質(zhì)量問(wèn)題的出現(xiàn)；而當(dāng)為特殊異形截面樁（如X形樁、大直徑管樁等）的施工時(shí)，本發(fā)明由于是打印成樁，無(wú)需灌注柱施工的模具，可省去下、拔模具的工序，省時(shí)省力。

具體地，對(duì)于一些新型的特殊樁基（如特殊的截面形式及含內(nèi)部結(jié)構(gòu)等），常規(guī)的預(yù)制樁和灌注樁的制作及施工方法，可能難以滿(mǎn)足其設(shè)計(jì)要求或需要增加額外的工序，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而本發(fā)明的施工系統(tǒng)及方法，由于采用了3D打印技術(shù)，不受其樁身截面形式及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的限制，可自主操作性和定制性強(qiáng)，施工高效快捷。

此外，本發(fā)明還發(fā)揮了3D打印技術(shù)層疊式打印的優(yōu)勢(shì)，打印出來(lái)的樁身表面為螺紋狀，可以顯著增加樁身的側(cè)摩阻力，提高樁基的承載力。由于本發(fā)明的主要操作步驟通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，自動(dòng)化程度高，還可以節(jié)省大量的人力與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間，大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

除了上面所述的本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題、構(gòu)成技術(shù)方案的技術(shù)特征以及由這些技術(shù)方案的技術(shù)特征所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)外，本發(fā)明的基于3D打印的樁基現(xiàn)場(chǎng)施工系統(tǒng)及方法所能解決的其他技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案中包含的其他技術(shù)特征以及這些技術(shù)特征帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)，將結(jié)合附圖做出進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的施工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中打印單元在打印管樁時(shí)的俯視圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中施工方法流程圖；

圖中：1配料罐，2耗材罐，3輸料管，4地面走行機(jī)構(gòu)，5電腦控制主機(jī)，6導(dǎo)向架，7吊臂，8滑軌，9鋼筋籠，10打印噴頭，11澆筑噴頭，12 OXYZ向打印支架，13重錘，14預(yù)制樁尖，15高壓水槍?zhuān)?6支座，17夾具，18灌注區(qū)域，19打印完成的樁身外殼。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例：

以某樁基設(shè)計(jì)施工要求為例，根據(jù)工程需要制作并施工多根預(yù)制管樁兼做儲(chǔ)物井，樁長(zhǎng)18m，樁外徑1200mm，內(nèi)徑1000mm，樁身按構(gòu)造配筋，現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)條件為軟弱土，地下水位于地下5m處。現(xiàn)采用本發(fā)明的施工系統(tǒng)及方法進(jìn)行施工。

本實(shí)施例的基于3D打印的樁基現(xiàn)場(chǎng)施工系統(tǒng)及方法如圖1所示，包括：配料罐1，耗材罐2，輸料管3，地面走行機(jī)構(gòu)4，電腦控制主機(jī)5，導(dǎo)向架6，吊臂7，滑軌8，鋼筋籠9，打印噴頭10，澆筑噴頭11，OXYZ向打印支架12，重錘13，預(yù)制樁尖14，高壓水槍15，支座16，夾具17。圖中第一節(jié)鋼筋籠9正在從預(yù)制樁尖處打印，第二節(jié)鋼筋籠已吊起離地，預(yù)備接樁。

其中，打印單元打印過(guò)程中的俯視圖如圖2所示，其中打印噴頭10正在進(jìn)行管樁樁身內(nèi)外殼的打印，19為打印完成的樁身外殼；與此同時(shí)澆筑噴頭11正在進(jìn)行樁身內(nèi)外殼之間混凝土的灌注；打印噴頭10和澆筑噴頭11可在OXYZ向打印支架12上沿X方向精確移動(dòng)；OXYZ向打印支架12可在OXY平面內(nèi)沿Y方向精確移動(dòng)，也可在滑軌8上沿高度方向（即Z方向）精確移動(dòng)。

使用以上施工系統(tǒng)的施工方法，具體包括以下步驟：

（1）樁基建模：通過(guò)3dsmax軟件建立該管樁的三維立體模型（樁長(zhǎng)18m，樁外徑1200mm，內(nèi)徑1000mm），將其轉(zhuǎn)換成STL格式導(dǎo)入3D打印軟件中進(jìn)行切片處理。

（2）現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備：現(xiàn)場(chǎng)人工綁扎3節(jié)鋼筋籠（每節(jié)6m）；地面走行機(jī)構(gòu)裝載導(dǎo)向架等部件行駛到樁位處就位，放下導(dǎo)向架，進(jìn)行系統(tǒng)整體的連接調(diào)試，包括將耗材罐上的輸料管連接到打印單元上，將供料單元與打印單元之間通過(guò)數(shù)據(jù)線連接等；在電腦控制主機(jī)中輸入材料比例及用量，進(jìn)行耗材的配制；進(jìn)行打印單元的初始化和系統(tǒng)的整體調(diào)試等。

（3）樁尖就位：選用圓錐形閉合預(yù)制鋼樁尖，將其安裝在導(dǎo)向架下部的沉樁單元處。

（4）鋼筋籠定位：吊裝第一節(jié)鋼筋籠，將其通過(guò)夾具固定在導(dǎo)向架上，根據(jù)所建立管樁模型的坐標(biāo)定位鋼筋籠位置，調(diào)整固定。

（5）分節(jié)打印：在電腦控制主機(jī)上通過(guò)3D打印操作軟件對(duì)打印速度和打印模式等進(jìn)行設(shè)置。本實(shí)施例中管樁分3節(jié)打印，最開(kāi)始打印第一節(jié)時(shí)，打印噴頭從預(yù)制樁尖處開(kāi)始打印，當(dāng)打印完第一節(jié)鋼筋籠時(shí)自動(dòng)停止；后續(xù)2節(jié)打印時(shí)，打印噴頭從上節(jié)鋼筋籠停止處開(kāi)始打印，當(dāng)打印完該節(jié)鋼筋籠時(shí)自動(dòng)停止。這里需要說(shuō)明的是為了加快打印速度，在打印噴頭打印出來(lái)該節(jié)樁基外殼后，澆筑噴頭直接往里面澆筑速凝混凝土進(jìn)行填充。

（6）沉樁：對(duì)步驟（5）中完成打印的單節(jié)樁基進(jìn)行快速養(yǎng)護(hù)，當(dāng)速凝混凝土達(dá)到沉樁要求強(qiáng)度后，進(jìn)行該節(jié)樁基的沉樁施工。由于現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)條件為軟弱土且地下水位位于地下5m處，采用振動(dòng)沉樁為主，射水沉樁為輔的方式。

（7）接樁：當(dāng)上節(jié)樁基沉樁施工完成后，吊裝下節(jié)鋼筋籠并進(jìn)行固定和定位，采用綁扎或焊接等方式進(jìn)行鋼筋籠的連接，然后執(zhí)行步驟（5），進(jìn)行分節(jié)打印，完成接樁。

（8）重復(fù)：重復(fù)步驟（6）~（7）完成3節(jié)管樁的打印、沉樁及接樁，達(dá)到設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)18m。

（9）結(jié)束移位：當(dāng)完成該根管樁的施工后，對(duì)其樁頭處進(jìn)行檢查清理，并將施工系統(tǒng)移至下一樁位。

如上，盡管參照特定的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)表示和表述了本發(fā)明，但其不得解釋為對(duì)本發(fā)明自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍前提下，可對(duì)其在形式上和細(xì)節(jié)上做出各種變化。

以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做出詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi)，對(duì)這些實(shí)施方式進(jìn)行多種變化、修改、替換和變形仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。