CN105756187A - 一种3d打印工艺与混凝土结合的建筑构造、施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3d打印工艺与混凝土结合的建筑构造、施工方法，包括步骤：1)建筑构件外壳及内部构造的数字模型建构；2)进行数字模型的3d打印作业；3)灌注混凝土，与步骤2)已打印出的模型形成一个整体结构构件，协同工作；4)步骤3)中的建筑构件整体成型后，根据工程需要决定是否去除3d打印模型的外壳，而裸露出混凝土的材料，则能够作为一种造型的元素使用。本发明可有效解决异形曲面钢筋混凝土建造中钢筋难以制作的难题，传力明确，并减少了施工构件、简化了施工程序、节约了建筑成本。

Description

一种3d打印工艺与混凝土结合的建筑构造、施工方法

技术领域

本发明涉及建筑结构、建筑构造以及建筑3d打印技术领域，尤其是指一种3d打印工艺与混凝土结合的建筑构造、施工方法。

背景技术

业内习知，现在很多传统建筑构件的施工都特别麻烦，譬如传统的复杂双曲面构件的施工需要经过测量放线、搭设脚手架、弧形定位钢管制作与安装、内层模板安装、钢筋绑扎、混凝土浇筑、模板拆除等复杂的步骤。这种传统的施工方法有很大的局限性：

1、复杂双曲面构件需要要求施工人员对虚拟数字模型或者平面图纸进行精确的实体空间定位，容易因测量工具限制或者人为因素导致误差或者错误；

2、由于复杂双曲面构件需要要求施工人员进行复杂的支模作业，难度大，需要应用大量支撑构件，模具耗材量大；

3、由于复杂双曲面构件的空间形态多变，受力不均匀，墙体的配筋情况需要与对应的结构传力相吻合，造成了钢筋的分布非常复杂，施工难度大。

3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料通过三维打印的方式来构造物体的技术。3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。3d打印的建筑构件有以下特点：

1、塑形能力强，适合复杂双曲面建造；

2、可以实现中空、镂空制作；

3、可定制和预制。

因此，将3D打印工艺与混凝土浇注结合，可以解决复杂双曲面构件的精确度低、施工复杂、成本高的瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种3d打印工艺与混凝土结合的建筑构造、施工方法，可解决异形曲面钢筋混凝土建造中钢筋难以制作的难题，传力明确，并减少了施工构件、简化了施工程序、节约了建筑成本。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种3d打印工艺与混凝土结合的建筑构造、施工方法，包括以下步骤：

1)建筑构件外壳及内部构造的数字模型建构

1.1)应用3d建模软件建构建筑构件的外壁；

1.2)设计内部“钢筋”构造分布，起到结构受力作用，并与外壳连成一体；

1.3)根据应力分布，利用建筑参数化设计软件设计与调控“钢筋”的截面形状及大小，以响应应力的分布及大小变化；

2)进行数字模型的3d打印作业

在材料选择上，根据实际工程情况选择金属材料、工程塑料，一次性打印出建筑构件的外壳和“钢筋”内部构造，并预留后续灌注混凝土工序的灌注洞口；

3)灌注混凝土，与步骤2)已打印出的模型形成一个整体结构构件，协同工作，并决定是否保留外壳，具体如下：

配置好所需强度等级的混凝土，从3d打印模型上方预留的孔洞灌注进内部，与内部“钢筋”构造粘结在一起，养护成型后，将成为一个整体协同工作；

4)步骤3)中的建筑构件整体成型后，根据工程需要决定是否去除3d打印模型的外壳，而裸露出混凝土的材料，则能够作为一种造型的元素使用。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、利用3d打印技术很好的解决了一次性建造复杂建筑构件(如复杂双曲面构件)的难题，节省了支模的步骤，节省人工，节省了施工时间与建造成本，经济效益良好。

2、解决复杂建筑构件(如复杂双曲面构件)建造过程中钢筋的制作难题，并实现钢筋形式与尺度的可调控制作，更好地响应应力的分布与强度需要，使传力更明确。

3、实现多种材料与混凝土的结合，包括光敏树脂、PLA、ABS、尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、铝材料、钛合金、钢材等，根据实际情况，采用材料的类型与结合方式。

附图说明

图1为复杂双曲面构件的数字模型建构示意图。

图2为复杂双曲面构件的内部构造示意图之一。

图3为复杂双曲面构件的内部构造示意图之二。

图4为复杂双曲面构件的数字三维模型。

图5为复杂双曲面构件拆除构件的外壁示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明所述的3d打印工艺与混凝土结合的建筑构造、施工方法，适用于任意形态的建筑构件，具体是利用3D打印技术制作“模板”外壳和“钢筋”内部构造一体化整体镂空构件，再通过浇注混凝土以实现建筑构件建造的建筑构造与施工，可有效解决异形曲面钢筋混凝土建造中钢筋难以制作的难题，传力明确，并减少了施工构件、简化了施工程序、节约了建筑成本。

下面我们以复杂双曲面构件为例说明本发明的建筑构造、施工方法。复杂双曲面构件的节点构造包括复杂双曲面构件的外壁、内部空间网架结构的“钢筋”、混凝土组成。本实施例所述的建筑构造、施工方法，包括以下步骤：

1)复杂双曲面构件外壳及内部构造的数字模型参数化化设计及建构

选用合适的3d建模软件进行建模(譬如3D建模软件RHINO及其插件GRASSHOPPER)。RHINO建模是NURBS建模方式。GRASSHOPPER是一款在RHINO环境下运行的采用程序算法生成模型的插件。3d建模软件RHINO结合插GRASSHOPPER配合使用，有绘制精确、曲面控制灵活、模型创建与修改方便快捷的特点，此外，RHINO生成的模型可以直接转换为3D打印设备识别的格式文件(如STL数据格式),导入到3D打印设备中直接加工出实体模型。本实施例选用3D建模软件RHINO及其插件GRASSHOPPER。

1.1)应用3d建模软件RHINO建构建筑构件的外壁

根据设计与工程需要，首先建构一个曲面的四条曲边，每条曲边V、U、W方向上有变化，通过四条曲线生成一个复杂变化双曲面，将复杂曲面赋予W方向上的厚度，构成构成一个复杂双曲面体。对复杂双曲面体向内部进行偏移，距离为H，最终形成了壁厚为H，内部为中空的复杂双曲面体(如图1所示)。

1.2)设计内部“钢筋”构造，并与外壳连成一体，起到结构受力作用，如下：

通过提取复杂双曲面构件的外壁内侧的结构网格线作为基准参考面，通过3D建模软件犀牛的插件GRASSHOPPER软件，对复杂双曲面构件的内部构造进行建构。复杂双曲面构件的内部构造是三维方向上的空间网架结构，起到抵抗拉应力、压应力的结构抵抗作用，并与外壁构成一体、整体受力。如图2所示，构件内部有U方向、V方向、W方向上的“钢筋”网格构造，在受力集中的区域可设计额外的斜向拉结“钢筋”构造。

1.3)根据应力分布，利用建筑参数化设计软件RHINO软件的插件GRASSHOPPER设计与调控“钢筋”的截面形状及大小，以响应应力的分布及大小变化。

参数化设计的特点体现在对构件大小尺寸的调控的便捷性。GRASSHOPPER的计算机语言可以将形态的逻辑和结构受力的逻辑转换为数学算法，通过参数的调整直接改变模型形态。利用建筑参数化设计的方法，通过编制计算机程序，便可生成和调控每个“钢筋”构件具体区段的截面形状与大小，以响应具体区域应力的性质与大小，从而使得“钢筋”的使用尽量地合适、经济、高效。

如图3所示，在应力集中和受力大的区域P中，通过参数化设计方法可以调节截面形状(譬如圆形、四边形、六边形、八边形等)以增强与灌注混凝土的粘结力，也可改变通过加大“钢筋”的横截面积来改善构件受力状况。

2)进行数字模型的3d打印作业

利用3d打印工艺在塑形能力上的优势，以方便快捷地打印预先设计好的数字三维模型。在材料选择上，根据实际工程情况选择金属材料、工程塑料(光敏树脂、PLA、ABS等)等，一次性打印出双曲抛物面的外壳和“钢筋”内部构造，并预留后续灌注混凝土工序的灌注洞口，如图4所示。

3)灌注混凝土，与步骤2)已打印出的模型形成一个整体结构构件，协同工作，具体如下：

配置好所需强度等级的混凝土，从3d打印模型上方预留的孔洞灌注进内部，与内部“钢筋”构造粘结在一起，养护成型后，将成为一个整体协同工作，

4)步骤3)中的建筑构件整体成型后，根据工程需要决定是否去除3d打印模型的外壳，而裸露出混凝土的材料，则能够作为一种造型的元素使用，如图5所示。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种3d打印工艺与混凝土结合的建筑构造、施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建筑构件外壳及内部构造的数字模型建构

1.1)应用3d建模软件建构建筑构件的外壁；

1.2)设计内部“钢筋”构造分布，起到结构受力作用，并与外壳连成一体；

1.3)根据应力分布，利用建筑参数化设计软件设计与调控“钢筋”的截面形状及大小，以响应应力的分布及大小变化；

2)进行数字模型的3d打印作业

在材料选择上，根据实际工程情况选择金属材料、工程塑料，一次性打印出建筑构件的外壳和“钢筋”内部构造，并预留后续灌注混凝土工序的灌注洞口；

3)灌注混凝土，与步骤2)已打印出的模型形成一个整体结构构件，协同工作，具体如下：

配置好所需强度等级的混凝土，从3d打印模型上方预留的孔洞灌注进内部，与内部“钢筋”构造粘结在一起，养护成型后，将成为一个整体协同工作；

4)步骤3)中的建筑构件整体成型后，根据工程需要决定是否去除3d打印模型的外壳，而裸露出混凝土的材料，则能够作为一种造型的元素使用。