CN106932166A - 一种基于3d打印技术的超高层建筑风洞试验模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型，包括框架主体，为多层长方体框架结构，底部设有底座，底座固定在试验台上，框架主体内设有从下向上贯穿框架主体的中心管，中心管底部固定在底座上，框架主体的四面和顶部均设有外衣板。本发明优点是采用中空的模型，测量装置可置于模型内部避免收到风载荷影响；采用3D打印成型，更好的保证模型精度以得到更精确的结果；多层可调节结构，可以更好的模拟不同结构不同层数的超高层建筑，且各部件可以通用，制备方便可重复使用；外衣板采用多块板拼接粘接的结构，避免了外衣板对整体结构刚度的影响；使用方便，可模拟不同结构刚度模型，试验结果准确。

Description

一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型

技术领域

本发明属于土木工程抗风技术领域，尤其涉及一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型。

背景技术

进入二十一世纪，随着高强轻质材料的广泛应用、新型结构体系的出现和先进建造技术的发展，各国纷纷提出要建造“世界最高”的超高层建筑。目前世界最高建筑为160层、828m高的哈利法塔，而建造一栋千米级超高层建筑已经成为今后国际建筑发展的一个必然趋势。一般而言，此类建筑高宽比大、刚度和阻尼比小，属于风敏感性结构，风荷载往往成为其结构设计的控制性因素。为准确确定其设计风荷载并评价其抗风性能，应对其进行气弹模型试验研究，直接测量结构的风致响应。

然而就目前而言，没有针对超高层建筑的风洞试验模型设计方法，而且一般的模型难以保证结构的精确性因而难以确保试验结果准确，故无法对超高层建筑结构的气动弹性效应进行深入研究。为准确研究超高层建筑的气弹效应，需要提出一种能够模拟超高层建筑气动外形和结构动力特性的试验模型。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型，解决现有技术中存在实验结果不准确的缺点。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型，其特点是包括框架主体，所述框架主体为多层长方体框架结构，所述框架主体的底部设有底座，所述底座固定在试验台上，所述框架主体内设有从下向上贯穿框架主体的中心管，所述中心管的底部固定在底座上，所述框架主体的四面和顶部均设有外衣板。

优选的，所述框架主体包括水平且四行六列矩阵排列的横梁，所述横梁上排列有四条纵梁，所述纵梁与横梁垂直，所述纵梁与横梁交叉处均固定有竖直设置的竖梁；所述框架主体为3D打印成型结构。

优选的，所述框架主体包括五个水平且等距排列的层板，所述层板包括水平排列的四条横梁，所述横梁上排列有四条纵梁，所述纵梁与横梁垂直，所述横梁和纵梁交叉处均设有安装孔，所述安装孔内插装有竖梁，所述竖梁竖直设置，所述安装孔侧面设有螺纹孔，螺纹孔内螺纹安装有定位销，定位销的端部卡在竖梁上；所述层板和竖梁均为3D打印成型结构。

优选的，所述框架主体包括竖直且四行四列矩阵排列的竖梁，所述竖梁上排列有四个连接头，所述连接头上设有结构为方形通孔的第一限位孔、第二限位孔和第三限位孔，所述第一限位孔竖直设置，所述第二限位孔水平设置，所述第三限位孔水平设置且与第二限位孔垂直，所述竖梁插装在第一限位孔内，所述第二限位孔内插装有纵梁，所述第三限位孔内插装有横梁，所述第一限位孔、第二限位孔和第三限位孔侧面均设有定位孔，所述定位孔内螺纹安装有定位销，所述竖梁、纵梁和横梁侧面均等距排列有圆柱形的定位槽，所述定位销卡在定位销内；所述竖梁、纵梁和横梁均为3D打印成型结构。

优选的，所述定位销包括圆柱状的主体，所述主体一端设有螺纹，主体另一端两侧对称设有两片长方形的旋转片。

优选的，所述竖梁、纵梁和横梁均为正方形钢管，所述底座包括两层长方形网格框架，两层长方形网格框架之间通过连杆连接，长方形网格框架中部设有多个方形套管，所述纵梁固定在套管内。

优选的，所述中心管为方形钢管，所述中心管卡在横梁和纵梁组成的长方体空间中，所述中心管为3D打印整体成型结构。

优选的，所述外衣板为PVC板或薄木板，所述外衣板与框架主体之间通过金属胶粘接。

本发明提出的一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型，有益效果在于：采用中空的模型，测量装置可置于模型内部避免收到风载荷影响；采用3D打印成型，可以更好的保证模型精度以得到更精确的结果；采用多层可调节结构，可以更好的模拟不同结构不同刚性的超高层建筑，且各部件可以通用，制备方便可以重复使用；外衣板采用多块板拼接粘接的方法，避免了外衣板对整体结构刚度的影响；本发明使用方便，可以模拟不同结构刚度模型，且试验结果准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其特的附图。

图1为本发明一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型的主视图。

图2为本发明一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型的俯视图。

图3为本发明一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型的立体图。

图4为本发明一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型的层板的结构示意图。

图5为本发明一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型的连接头处的结构示意图。

图6为本发明一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型的连接头的结构示意图。

图7为本发明一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型的底座处的结构示意图。

图8为本发明一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型的定位销的结构示意图。

图中：1-框架主体 2-外衣板 3-底座 4-中心管 5-横梁 6-纵梁 7-竖梁 8-安装孔 9-定位销 10-层板 11-连接头 12-定位槽 13-定位孔 14-第一限位孔 15-第二限位孔16-第三限位孔 17-旋转片 18-套管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清除、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由图1、图2、图3、图7可以看出，一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型，包括框架主体1，框架主体1为多层长方体框架结构，框架主体1的底部设有底座3，底座3固定在试验台上，框架主体1内设有从下向上贯穿框架主体1的中心管4，中心管4为方形钢管，中心管4卡在横梁5和纵梁6组成的长方体空间中，中心管4的底部固定在底座3上，中心管4为3D打印整体成型结构。框架主体1模拟超高层建筑的框架结构，中心管4模拟超高层建筑的剪力墙或筒体结构，中心管4框架主体1之间可以采用焊接或金属脚粘接，底座3为模型提供安装基础。

框架主体1的四面和顶部均设有外衣板2。外衣板2为PVC板或薄木板，外衣板2与框架主体1之间通过金属胶粘接。外衣板2为分体设计，可以避免外衣板2对模型整体刚性的贡献。

框架主体1包括水平且四行六列矩阵排列的横梁5，横梁5上排列有四条纵梁6，纵梁6与横梁5垂直，纵梁6与横梁5交叉处均固定有竖直设置的竖梁7，框架主体1为3D打印整体成型结构。框架主体1为3D打印整体成型结构，具有更高的精度，使得实验的结果更加准确。

竖梁7、纵梁6和横梁5均为正方形钢管，底座3包括两层长方形网格框架，两层长方形网格框架之间通过连杆连接，长方形网格框架中部设有多个方形套管18，纵梁6固定在套管18内。套管18与竖梁7之间可以通过焊接或螺钉连接，以向模型提供支持力，防止试验过程中模型被吹倒。

由图4、图8可以看出，作为本发明的另一优选实施例，与上实施例的唯一区别在于框架主体1包括五个水平且等距排列的层板10，层板10包括水平排列的四条横梁5，横梁5上排列有四条纵梁6，纵梁6与横梁5垂直，横梁5和纵梁6交叉处均设有安装孔8，安装孔8内插装有竖梁7，竖梁7竖直设置，安装孔8侧面设有螺纹孔，螺纹孔内螺纹安装有定位销9，定位销9的端部卡在竖梁7上，层板10和竖梁7均为3D打印成型结构。定位销9包括圆柱状的主体，主体一端设有螺纹，主体另一端两侧对称设有两片长方形的旋转片17。旋转片17可以方便使用者调节定位销9，层板10可以根据需要增加和减少，且层板10之间的距离可以调整以满足不同结构模拟的需要，使得试验结果更加贴近实际情况。

由图5、图6可以看出，作为本发明的另一优选实施例，与上实施例的唯一区别在于框架主体1包括竖直且四行四列矩阵排列的竖梁7，竖梁7上排列有四个连接头11，连接头11上设有结构为方形通孔的第一限位孔14、第二限位孔15和第三限位孔16，第一限位孔14竖直设置，第二限位孔15水平设置，第三限位孔16水平设置且与第二限位孔15垂直，竖梁7插装在第一限位孔14内，第二限位孔15内插装有纵梁6，第三限位孔16内插装有横梁5，第一限位孔14、第二限位孔15和第三限位孔16侧面均设有定位孔13，定位孔13内螺纹安装有定位销9，竖梁7、纵梁6和横梁5侧面均等距排列有圆柱形的定位槽12，定位销9卡在定位销9内，竖梁7、纵梁6和横梁5均为3D打印成型结构。定位销9包括圆柱状的主体，主体一端设有螺纹，主体另一端两侧对称设有两片长方形的旋转片17。竖梁7、纵梁6和横梁5的数量及之间的距离均可以调整，若结构动力特性的相似比不足，则可以通过调节定位销9重新调整模型的整体结构。

工作原理：框架主体1和中心管4均为3D打印成型，结构表现准确，外衣板2为分体设计，可以避免外衣板2对模型整体刚性的贡献，模型的横梁5、纵梁6和竖梁7也可以为可调式设计，用来模拟不同结构，当模型的相似比不足时，也可通过定位销9实现简单调整，无需拆除整个模型，各元件均为标准件，可以重复使用。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型，其特征在于：包括框架主体(1)，所述框架主体(1)为多层长方体框架结构，所述框架主体(1)的底部设有底座(3)，所述底座(3)固定在试验台上，所述框架主体(1)内设有从下向上贯穿框架主体(1)的中心管(4)，所述中心管(4)的底部固定在底座(3)上，所述框架主体(1)的四面和顶部均设有外衣板(2)。

2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型，其特征在于：所述框架主体(1)包括水平且四行六列矩阵排列的横梁(5)，所述横梁(5)上排列有四条纵梁(6)，所述纵梁(6)与横梁(5)垂直，所述纵梁(6)与横梁(5)交叉处均固定有竖直设置的竖梁(7)；所述框架主体(1)为3D打印整体成型结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型，其特征在于：所述框架主体(1)包括五个水平且等距排列的层板(10)，所述层板(10)包括水平排列的四条横梁(5)，所述横梁(5)上排列有四条纵梁(6)，所述纵梁(6)与横梁(5)垂直，所述横梁(5)和纵梁(6)交叉处均设有安装孔(8)，所述安装孔(8)内插装有竖梁(7)，所述竖梁(7)竖直设置，所述安装孔(8)侧面设有螺纹孔，螺纹孔内螺纹安装有定位销(9)，定位销(9)的端部卡在竖梁(7)上；所述层板(10)和竖梁(7)均为3D打印成型结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型，其特征在于：所述框架主体(1)包括竖直且四行四列矩阵排列的竖梁(7)，所述竖梁(7)上排列有四个连接头(11)，所述连接头(11)上设有结构为方形通孔的第一限位孔(14)、第二限位孔(15)和第三限位孔(16)，所述第一限位孔(14)竖直设置，所述第二限位孔(15)水平设置，所述第三限位孔(16)水平设置且与第二限位孔(15)垂直，所述竖梁(7)插装在第一限位孔(14)内，所述第二限位孔(15)内插装有纵梁(6)，所述第三限位孔(16)内插装有横梁(5)，所述第一限位孔(14)、第二限位孔(15)和第三限位孔(16)侧面均设有定位孔(13)，所述定位孔(13)内螺纹安装有定位销(9)，所述竖梁(7)、纵梁(6)和横梁(5)侧面均等距排列有圆柱形的定位槽(12)，所述定位销(9)卡在定位销(9)内；所述竖梁(7)、纵梁(6)和横梁(5)均为3D打印成型结构。

5.根据权利要求4所述的一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型，其特征在于：所述定位销(9)包括圆柱状的主体，主体一端设有螺纹，主体另一端两侧对称设有两片长方形的旋转片(17)。

6.根据权利要求2和3任一项所述的一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型，其特征在于：所述竖梁(7)、纵梁(6)和横梁(5)均为正方形钢管，所述底座(3)包括两层长方形网格框架，两层长方形网格框架之间通过连杆连接，长方形网格框架中部设有多个方形套管(18)，所述纵梁(6)固定在套管(18)内。

7.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型，其特征在于：所述中心管(4)为方形钢管，所述中心管(4)卡在横梁(5)和纵梁(6)组成的长方体空间中；所述中心管(4)为3D打印整体成型结构。

8.根据权利要求1所述的一种基于3D打印技术的超高层建筑风洞试验模型，其特征在于：所述外衣板(2)为PVC板或薄木板，所述外衣板(2)与框架主体(1)之间通过金属胶粘接。