CN103774859A

CN103774859A - 一种基于bim建筑模型的水泥砂浆砌体自动建造装置及其工作方法

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Publication number: CN103774859A
Application number: CN201410021851.4A
Authority: CN
Inventors: 丁烈云; 骆汉宾; 魏然; 李国卫; 车海潮
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2034-01-17
Also published as: CN103774859B

Abstract

本发明属于水泥砂浆砌体的自动建造领域，提供一种基于BIM建筑模型的水泥砂浆砌体自动建造装置及其工作方法，本发明采用数控程序生成系统将BIM模型转换为数控程序执行装置可以识别的程序代码，将得到的程序代码导入数控程序执行装置中，以控制机械臂的运行、电子喷嘴的开停和水泥砂浆泵的开停，最终实现水泥砂浆砌体的自动建造。本发明采用BIM技术与数控技术进行水泥砂浆砌体的自动建造，速度快、成本低、效率高。

Description

一种基于BIM建筑模型的水泥砂浆砌体自动建造装置及其工作方法

技术领域

本发明属于水泥砂浆砌体的自动建造领域，具体涉及一种基于BIM建筑模型的水泥砂浆砌体自动建造装置及其工作方法。

背景技术

三维快速成型技术是20世纪90年代开始逐渐兴起的一项先进的制造技术，其基本原理是在电脑程序的精确驱动下，将预先制作好的电脑三维模型细分成许多层，原材料按照电脑模型一层一层叠加，最终完成物品的制造，实现从虚拟三维模型到实体三维物体的直接转化，故该技术亦俗称三维打印。

三维快速成型技术所涉及的不同耗材对应不同的成型工艺，例如光固化、烧结、熔融沉积等，该技术的实施面临诸多技术难题，例如三维模型转化为一层层的二维模型、喷嘴运行路径的优化以及材料选取等问题。三维快速成型技术的应用领域包括航空学、医学、建筑学以及产品设计等等。很长一段时间以来，快速成型技术在建筑方面的应用一直局限于建筑模型的快速制造，但是，近年来，快速成型技术在建筑方面的研究开始从简单的建筑模型的制造向真正的建筑构件的快速成型转化。当前建筑构件的快速成型有三种主要的方法，分别是：D-Shape, Contour Crafting和Concrete Printing。D-Shape 采用的材料是粘接剂和沙子，采用粘接剂有选择性的固化沙子，已达到其快速成型。Contour Crafting和Concrete Printing采用的材料均为水泥，利用水泥的层层叠加来达到成型的目的。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于BIM建筑模型的水泥砂浆砌体自动建造装置及其工作方法，能够快速高效的进行水泥砂浆砌体的自动建造。本发明采用数控程序生成系统将BIM模型转换为数控程序执行装置可以识别的程序代码，将得到的程序代码导入数控程序执行装置中，以控制机械臂的运行、电子喷嘴的开停和水泥砂浆泵的开停，最终实现水泥砂浆砌体的自动建造。

本发明所述的一种基于BIM建筑模型的水泥砂浆砌体自动建造装置，包括BIM建筑模型生成系统、数控程序生成系统、人工送料系统和数控程序执行装置；

所述BIM建筑模型生成系统，利用BIM技术建立三维建筑模型；

所述数控程序生成系统，用于解析BIM建筑模型生成系统生成的BIM模型，并生成包括控制水泥砂浆泵、电子喷嘴、机械臂的CNC数控程序；

人工送料系统，是指由人工预先搅拌好包含有速凝剂、减水剂及其他外加剂的水泥砂浆，并通过人工的方式送料至泵送装置上的料斗中；

数控程序执行装置包括数控操作柜、带料斗的水泥砂浆泵、利用胶管连接到料斗上的电子喷嘴及XYZ三轴龙门式机械臂，数控操作柜用于识别并运行数控程序生成系统生成的CNC数控程序，以实现对水泥砂浆泵、电子喷嘴和机械臂的控制。

本发明还提供一种基于BIM建筑模型的水泥砂浆砌体自动建造装置的工作方法，该方法包括以下步骤：

（1）BIM建筑模型生成系统用三维BIM建模工具建立所要建造的构件或者砌体的BIM模型；

（2）将BIM模型导入数控系统生成系统中，数控系统对其解析，获取其形状尺寸信息；

（3）在数控程序生成系统中提供的参数设置界面设置相关参数：设置堆积层高H（mm）、出料宽度D（mm）、机械臂移动速度V（mm/s）、初始起点XYZ轴坐标X*，Y*，Z*（mm）；堆积层高H（mm）、出料宽度D（mm）与喷嘴出料量、机械臂移动速度V（mm/s）及材料特性有关，可以经试验测定；机械臂移动速度根据需要设定；设置初始起点（X*，Y*，Z*）的目的是使水泥砂浆泵送装置准备充分；

（4）数控程序生成系统根据相关参数以及BIM模型生成控制机械臂运行、喷嘴及水泥砂浆泵开关的CNC数控程序；

（5）将步骤（4）中生成的CNC数控程序导入数控程序执行装置中；

（6）数控程序执行装置执行得到的CNC数控程序，开始建筑构件或砌体的自动建造工作。

所述的数控程序生成系统中，生成控制机械臂运行、喷嘴开关及泵送开关的算法为：系统对BIM模型进行解析，获取其形状、尺寸信息，并根据设置的层高将其分为若干层，提取各层二维平面图的信息，根据该平面图生成机械臂的运行路径，首先勾勒平面图的内外轮廓，然后进行内部填充，按照奇关偶开的原则控制喷嘴及泵送的开关，即第奇数次碰到轮廓，关闭开关，第偶数次碰到轮廓时打开开关，并且，内部填充时，机械臂的运行路径总是平行于X轴或平行于Y轴，第奇数层平行于X轴，第偶数层平行于Y轴。

本发明采用BIM技术与数控技术进行水泥砂浆砌体的自动建造，具有如下优点：

（1）速度快。采用数控技术进行水泥砂浆砌体的自动建造，颠覆了传统的单纯依靠人工进行砌体建造的方法，实现自动化的建造，速度较传统的施工工艺有明显提高。

（2）成本低。只要有BIM建筑模型与相应的数控系统，即可进行水泥砂浆砌体的自动建造，不需要庞大数量的工作人员，也不需要支模板，可以节约大量人、材、机的费用。

（3）效率高。采用计算机技术与数控技术，实现自动化的建造，效率比人工建造有较大的提高。

附图说明

图1是本发明一种基于BIM建筑模型的水泥砂浆砌体自动建造技术的流程图。

图2是本发明列举实例所用的BIM建筑三维模型，尺寸如图。

图3是实例中BIM建筑模型的分层示意图，每一层高度为10mm。

图4是BIM建筑模型中1层的二维平面图，以及机械臂路径的示意图。

图5是BIM建筑模型中2层的二维平面图，以及机械臂路径的示意图。

图6是BIM建筑模型中3层以上奇数层的二维平面图，以及机械臂路径示意图。

图7是BIM建筑模型中3层以上偶数层的二维平面图，以及机械臂路径示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明装置包括BIM建筑模型生成系统、数控程序生成系统、人工送料（水泥砂浆）系统和数控程序执行装置，最终实现使用水泥砂浆这一建筑材料将BIM建筑模型实体化的过程。

BIM建筑模型生成系统是利用BIM技术生成三维建筑构件模型，由于该发明是采用的水泥砂浆的堆积及快速成型原理，因此支持的是中间非镂空的三维模型，如圆柱体、长方体、圆环体及各类下层可支撑上层的异型构件,并且由于水泥砂浆的喷嘴是竖直布置的，所以本发明不适用于斜面体（如锥体）的成型。

数控程序生成系统用于对BIM建筑模型进行解析，获取其形状、尺寸信息，并提供数控程序执行装置的参数设置，通过填充算法形成包括控制水泥砂浆泵送、喷嘴开关、机械臂XYZ三轴运动的数控程序。数控程序生成系统的具体实施过程如下：

（1）数控程序生成系统接收到BIM建筑模型后，对其进行解析，根据参数设置界面中设置的层高将其分为若干层，然后将每一层的二维平面图提取出来，转换为可供软件识别的DXF格式文件流，根据DXF文件格式规范，将文件流中的Element段中的每个图形元素文件段分离出来，即获得点、线、面等图形元素的矢量信息。

（2）提供参数设置界面，设置堆积层高H（mm）、出料宽度D（mm）、机械臂移动速度V（mm/s）、初始起点XYZ轴坐标X*，Y*，Z*（mm）。堆积层高H（mm）、出料宽度D（mm）与喷嘴出料量、机械臂移动速度V（mm/s）及材料特性有关，可以经试验测定；机械臂移动速度根据需要设定；设置初始起点（X*，Y*，Z*）的目的是使送料系统中的水泥砂浆准备充分后，才开始水泥砂浆构件的自动建造过程。

（3）图形预处理。图形预处理是指将图形的各端点坐标按照一定的计算方法转化为相应的容易处理的新坐标，图形预处理的目的是使得图形各端点之间在X轴方向的距离和在Y轴方向上的距离能够被出料宽度整除。具体算法为（x，y，z）（[x/D+1]*D，[y/D+1]*D，z），[]表示取整符号。

（4）系统通过内置的填充算法形成包括控制水泥砂浆泵送、喷嘴开关、机械臂XYZ三轴运动的CNC数控程序。具体的算法如下：

步骤1：第一层轮廓勾勒。轮廓勾勒可以分为外轮廓勾勒和内轮廓勾勒。

首先，进行外轮廓的勾勒。外轮廓勾勒时，机械臂的运行路径（也即圆形喷嘴圆心的运行路径，下同）位于外轮廓线向内偏移D/2所形成的新外轮廓线上，起点为新外轮廓线上离（0，0，Z1）最近的一个端点（X1，Y1，Z1）,终点为新外轮廓线上离起点距离为D的若干点中的一点（该点为从起点开始沿新轮廓线顺时针行走遇到的第一个与起点距离为D的点），记为（X1’，Y1’，Z1），轮廓勾勒的方向为逆时针，轮廓勾勒完毕即喷嘴圆心到达轮廓勾勒终点坐标（X1’，Y1’，Z1）后，泵送及喷嘴开关自动关闭。

其次，进行内轮廓的勾勒。外轮廓勾勒完毕后，喷嘴圆心从外轮廓勾勒的终点坐标移动至内轮廓勾勒的起点坐标，同时打开泵送及喷嘴开关。内轮廓勾勒时，机械臂的运行路径位于内轮廓线向外偏移D/2所形成的新内轮廓线上，起点为新内轮廓线上离（0，0，Z1）最近的一个端点（X2，Y2，Z1），终点为新内轮廓线上离起点距离为D的若干点中的一点（该点为从起点开始沿新内轮廓线顺时针行走遇到的第一个与起点距离为D的点），记为（X2’，Y2’，Z1），轮廓勾勒的方向为逆时针，内轮廓勾勒完毕即喷嘴圆心到达内轮廓勾勒终点坐标（X2’，Y2’，Z1）后，泵送及喷嘴开关自动关闭。该内轮廓勾勒完毕后，如还有其它内轮廓，仍然按照上述规则，从近到远，直到所有内轮廓都勾勒完毕；

步骤2：第一层内部填充。

内部填充就是根据填充区域（a.）、机械臂的运动路径（b.）以及机械臂上喷嘴开闭规则（d.）将水泥沙浆注入的过程。如图4

规则及关键词解释如下：

a.确定填充区域:

第一层平面图的外轮廓线向内偏移D，内轮廓线向外偏移D所形成的的连通区域为需要填充的区域。

b.机械臂的运动路径由填充线段（b1.）及填充方向规则（b2.）确定，机械臂从步骤1的终点开始移动到第一条填充线段的起点，然后运动到该线段的终点，再到下一条填充线段的起点，并运动到终点……直到最后一条填充线段的终点。如图4

b1.确定填充方向：根据奇数层沿X轴方向填充、偶数层沿Y轴方向填充原则。

b2.确定填充线段:

首先确定填充线段所在直线,因为该层是奇数层，所以这些直线都是平行与X轴的依次为y=ymin+D/2, y=ymin+3D/2, y=ymin+5D/2, ……, y=ymax-D/2(其中ymin为填充区域上离X轴最近的点的Y轴坐标，ymax为填充区域上离X轴最远的点的Y轴坐标)。

其次根据填充线段所在直线确定第一条填充线段,起点坐标为圆心位于填充线段所在直线上、直径为D、与填充区域轮廓线内切的圆中离Y轴最近的一个圆的圆心坐标，终点坐标为圆心位于填充线段所在直线上、直径为D、与填充线区域轮廓线内切的圆中离Y轴最远的一个圆的圆心坐标。

最后确定余下填充线段，根据填充线段所在直线，确定每条填充线段的起点、终点坐标，第奇数条填充线段的确定规则同第一条，第偶数条填充线段的确定规则同第一条相反。

d.喷嘴开闭规则：当机械臂第奇数次“碰到”填充区域轮廓线时，喷嘴关闭，第偶数次碰到（同上）填充区域轮廓线时，喷嘴“延迟D”打开

碰到：是指机械臂运行至喷嘴圆心与填充区域轮廓线相距为D/2,即以喷嘴圆心为圆心、D为直径的圆与轮廓线相切。

延迟D: 即喷嘴碰到轮廓线后再运行D的距离之后

步骤3：第二层轮廓勾勒。第二层轮廓勾勒时，机械臂运行路径、起点和终点的确定规则同步骤1；

步骤4：第二层内部填充。

因为该层为偶数层所以填充方向为沿Y轴方向填充其他规则同步骤2。

步骤5：根据奇数层X轴填充、偶数层Y轴填充原则层层堆积，直到提升的Z轴坐标大于模型中端点最大Z轴坐标为止；

人工送料系统是指由人工预先搅拌好包括有速凝剂、减水剂及其他外加剂的水泥砂浆，并通过人工的方式送料至泵送装置上的料斗中。

数控程序执行装置包括数控操作柜、带料斗的水泥砂浆泵、利用胶管连接到料斗上的电子喷嘴及XYZ三轴龙门式机械臂（长宽高为1.5米、传送带为X轴1.2m、Y轴1.2m、Z轴1.2m，喷嘴垂直绑定在机械臂上）。数控操作柜接收数控程序生成系统生成的CNC数控程序，利用现行的数控系统予以执行，通过控制机械臂的XYZ三轴运动、水泥砂浆泵的开关及喷嘴的开关实现水泥砂浆的层层堆积，最终实现BIM建筑模型的实体化。

下面列举实例对本发明进行详细的说明。

模型建立。本发明中使用的模型为利用REVIT建立的BIM三维模型，由于受数控程序执行装置中机械臂龙门架尺寸的限制，拟建立的BIM模型的尺寸应控制在0-1000mm，并且建立的模型应位于第一象限，为便于数控程序的生成，还应使建立的模型的某一端点尽可能的位于坐标（0，0，0）。本实例建立了如图2所示的BIM模型。

生成数控程序。将建立的如图2所示的BIM建筑模型导入数控程序生成系统中，系统对其进行识别、解析，在系统提供的参数设置界面设置相关的参数，包括堆积层高H（mm）、出料宽度D（mm）、机械臂移动速度V（mm/s）、初始起点XYZ轴坐标X*，Y*，Z*（mm）。同时，根据堆积层高H将BIM模型分为若干层，本实例中的BIM模型分层示意图如图3所示。然后系统再根据填充算法生成每一层的可以控制机械臂速度、喷嘴的流量和喷嘴的开停的数控程序，然后对各层的数控程序进行组合，即得到整个BIM模型的数控程序。具体实施方法如下：

步骤1：第一层轮廓勾勒，见图4。本实例所用BIM模型的第一层既有外轮廓又有内轮廓。

首先进行外轮廓的勾勒，机械臂的运行路径，也即圆形喷嘴圆心的运行路径，下同，位于外轮廓线向内偏移D/2=5mm所形成的新外轮廓线上，方向为逆时针，起点坐标为（5，5，10），新外轮廓线上离（0，0，10）最近的一个端点，终点坐标为（5，15，10），新外轮廓线上离起点距离为D=10mm的若干点中的一点，该点为从起点开始沿新轮廓线顺时针行走遇到的第一个与起点距离为D=10mm的点。

其次进行内轮廓的勾勒，机械臂的运行路径，也即圆形喷嘴圆心的运行路径，下同，位于内轮廓线向外偏移D/2=5mm所形成的新内轮廓线上，外轮廓勾勒完毕后，喷嘴关闭，喷嘴圆心从外轮廓勾勒的终点坐标（5，15，10）移动至内轮廓勾勒的起点坐标，同时打开泵送及喷嘴开关。起点坐标为（95，95，10），新内轮廓线上离（0，0，10）最近的一个端点，终点坐标为（95，105，10），新外轮廓线上离起点距离为D=10mm的若干点中的一点，该点为从起点开始沿新轮廓线顺时针行走遇到的第一个与起点距离为D=10mm的点。

步骤2：第一层内部填充。

内部填充就是根据填充区域（a.）、机械臂的运动路径（b.）以及机械臂上喷嘴开关规则（d.）将水泥沙浆注入的过程。如图4

规则及关键词解释如下：

a.确定填充区域:

第一层平面图的外轮廓线向内偏移D=10mm，内轮廓线向外偏移D=10mm所形成的的连通区域为需要填充的区域。

b.机械臂的运动路径：

由填充线段（b1.）及填充方向规则（b2.）确定，机械臂从步骤1的终点开始移动到第一条填充线段的起点，然后运动到该线段的终点，再到下一条填充线段的起点，并运动到终点……直到最后一条填充线段的终点。

b1.确定填充方向：沿X轴方向填充。

b2.确定填充线段:首先确定填充线段所在直线,因为该层是奇数层，所以这些直线都是平行与X轴的依次为y=15,y=25,y=35,……，y=485

其次根据填充线段所在直线确定第一条填充线段，起点坐标为（15,15,10），圆心位于填充线段所在直线上直径为D=10、与填充区域轮廓线内切的圆中离Y轴最近的一个圆的圆心坐标，终点坐标为（485,15,10），圆心位于填充线段所在直线上、直径为D=10、与填充线区域轮廓线内切的圆中离Y轴最远的一个圆的圆心坐标。

所以第二条填充线段起点坐标（485,25,10）终点坐标（15,25,10）

第三条填充线段起点坐标（15,35,10）终点坐标（485,35,10）

……最后一条填充线段

d.喷嘴开闭规则：当机械臂第奇数次“碰到”填充区域轮廓线时，喷嘴关闭，第偶数次碰到（同上）填充区域轮廓线时，喷嘴“延迟D=10”打开

碰到：是指机械臂运行至喷嘴圆心与填充区域轮廓线相距为5mm,即以喷嘴圆心为圆心、D=10为直径的圆与轮廓线相切。

延迟D=10: 即喷嘴碰到轮廓线后再运行D=10的距离之后

步骤3：第二层轮廓勾勒，见图5。将机械臂提升H=10mm，并快速移动至（5，5，20），即以此点为起点开始第二层的轮廓勾勒，由于第二层与第一层的平面图是完全一样的，内外轮廓线也是完全一样的，因此第二层轮廓勾勒除Z轴坐标不同外，其他同步骤一；

步骤4：第二层内部填充，见图5。

规则及关键词解释如下：

a.确定填充区域:同步骤2

b.机械臂的运动路径：同步骤2

b1.填充方向：沿Y轴方向填充

b2.确定填充线段:

首先确定填充线段所在直线,因为该层是偶数层，所以这些直线都是平行与Y轴的依次为x=15,x=25,x=35,……，x=485

其次根据填充线段所在直线确定第一条填充线段，起点坐标为（15,15,20），圆心位于填充线上直径为D=10、与填充区域轮廓线相切的圆中离X轴最近的一个圆的圆心坐标，终点坐标为（15,485,20），圆心位于填充线上、直径为D=10、与填充线区域轮廓线相切的圆中离X轴最远的一个圆的圆心坐标。

根据填充线段所在直线，确定每条填充线段的起点、终点坐标，第奇数条填充线段的确定规则同第一条，第偶数条填充线段的确定规则同第一条相反。

所以第二条填充线段起点坐标（25,485,20）终点坐标（25,15,20）

第三条填充线段起点坐标（35,15,20）终点坐标（35,485,20）

……最后一条填充线段

其他规则同步骤2。

步骤5：第三层以上的轮廓勾勒与内部填充的具体规则同一二层，根据奇数层X轴填充、偶数层Y轴填充原则层层堆积，直到提升至Z轴坐标大于模型中端点最大Z轴坐标为止，图6和图7分别为第三层和第四层的示意图。

（3）执行数控程序。人工将水泥砂浆添加到料斗中，并将数控程序生成系统生成的控制机械臂运行、泵送及喷嘴开关的的数控程序导入数控操作柜中，点开始按钮，数控程序执行装置根据内嵌的数控系统执行接收到的CNC数控程序最终实现BIM建筑模型的实体化。

Claims

1.一种基于BIM建筑模型的水泥砂浆砌体自动建造装置，其特征在于：包括BIM建筑模型生成系统、数控程序生成系统、人工送料系统和数控程序执行装置；

所述BIM建筑模型生成系统，利用BIM技术建立三维建筑模型；

2.一种如权利要求1所述的基于BIM建筑模型的水泥砂浆砌体自动建造装置的工作方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

（3）在数控程序生成系统中提供的参数设置界面设置相关参数：堆积层高H、出料宽度D、机械臂移动速度V、初始起点XYZ轴坐标X*，Y*，Z*；

3.根据权利要求2所述的基于BIM建筑模型的水泥砂浆砌体自动建造装置的工作方法，其特征在于所述的数控程序生成系统中，生成控制机械臂运行、喷嘴开关及泵送开关的算法为：系统对BIM模型进行解析，获取其形状、尺寸信息，并根据设置的层高将其分为若干层，提取各层二维平面图的信息，根据该平面图生成机械臂的运行路径，首先勾勒平面图的内外轮廓，然后进行内部填充，按照奇关偶开的原则控制喷嘴及泵送的开关，即第奇数次碰到轮廓，关闭开关，第偶数次碰到轮廓时打开开关，并且，内部填充时，机械臂的运行路径总是平行于X轴或平行于Y轴，第奇数层平行于X轴，第偶数层平行于Y轴。