CN107894251B - 基于3d打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法，包括如下步骤：建立建筑屋面的屋面三维模型；根据所建立的屋面三维模型，利用3D打印机打印形成对应的屋面3D模型；以及提供试验用水，利用所述试验用水以模拟降雨的方式对所述屋面3D模型进行喷淋，观察并记录所述屋面3D模型上的排水结构的排水历程。本发明的检测方法有利于全方位、多角度对屋面3D模型进行检验，检验现有屋面布置方案的缺陷，根据检测结果可进行屋面布置方案的调整，有利于加快屋面布置方案的敲定，减少返工并降低施工成本。

Description

基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法

技术领域

本发明涉及建筑排水结构的检测领域，特指一种基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法。

背景技术

日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品，而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，比如打印一个机器人、打印玩具车，打印各种模型，甚至是食物等等。之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。这项打印技术称为3D立体打印技术。

3D打印技术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，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

在建筑工程施工中，3D打印技术也有应用，比如利用3D打印技术形成结构楼板、结构墙体以及结构柱等构件，但对于建筑屋面布置方案的检测，并没有发现3D打印技术的应用。现有的建筑屋面布置方案的检测是通过在平面图上协调各专业进行布置和效果评价，使用平面图可简洁描述屋面的布置情况，但无法保证并兼顾各专业设备及管道的性能和屋面排水能力，布置方案检测的时间长，效率低，且由于屋面原有排水因设备基础及洞口的阻隔，往往会造成积水难以排出的问题，使得实际施工时产生返工进而增加施工成本，另外，屋面雨水斗排水管由于顶层的功能要求排布往往受到限制，因此屋面成为工程质量保证的难点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法，解决现有的使用平面图进行屋面布置方案检测中存在的时间长、效率低、无法保证设备及管道的性能和排水能力以及容易产生返工、增加施工成本的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法，包括如下步骤：

建立建筑屋面的屋面三维模型；

根据所建立的屋面三维模型，利用3D打印机打印形成对应的屋面3D模型；以及

提供试验用水，利用所述试验用水以模拟降雨的方式对所述屋面3D模型进行喷淋，观察并记录所述屋面3D模型上的排水结构的排水历程。

本发明利用3D打印技术模拟屋面布置方案，将屋面布置方案的平面图转化成立体的屋面3D模型，利用3D打印技术的模拟性和方便性的特点对建筑屋面进行模拟，尤其适用于屋面设备较多，屋面复杂程度高和排水较为困难的情景。本发明的检测方法有利于全方位、多角度对屋面3D模型进行检验，检验现有屋面布置方案的缺陷，根据检测结果可进行屋面布置方案的调整，有利于加快屋面布置方案的敲定，减少返工并降低施工成本。

本发明基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法的进一步改进在于，根据所建立的屋面三维模型，利用3D打印机打印形成对应的屋面3D模型之前还包括：

对所建立的屋面三维模型进行简化处理，将所述屋面三维模型中与排水无关的结构删除并保存形成与屋面的排水结构相对应的屋面排水模型；

将所述屋面排水模型根据所述3D打印机的打印尺寸进行分割以形成多个打印模型单元。

本发明基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法的进一步改进在于，利用3D打印机打印形成对应的屋面3D模型包括：

利用所述3D打印机根据打印模型单元打印形成对应的3D模型单元；

将所述3D模型单元拼接连接形成所述屋面3D模型。

本发明基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法的进一步改进在于，将所述3D模型单元拼接连接形成所述屋面3D模型，包括：

将相邻的两个3D模型单元通过热熔连接，并对连接处进行防水处理。

本发明基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法的进一步改进在于，提供试验用水包括：

向水内加入染色剂或者色素形成有颜色的水并作为试验用水。

本发明基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法的进一步改进在于，观察并记录所述屋面3D模型上的排水结构的排水历程，包括：

观察所述屋面3D模型的排水情况，并获得对应所述排水结构的积水数据、排水时间数据以及水流速度数据；

记录所获得的所述的积水数据、排水时间数据以及水流速度数据以形成实验检测数据。

本发明基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法的进一步改进在于，还包括：

根据所述屋面3D模型的尺寸和所述建筑屋面的尺寸计算得出长度比尺；

测量所述屋面3D模型中一坡度处的第一水流速度值，测量一建筑结构上与所述坡度相适应的结构处的第二水流速度值，根据所述第一水流速度值和所述第二水流速度值计算得出时间比尺和流速比尺；

根据所述长度比尺、所述时间比尺和所述流速比尺将所述实验检测数据转化为对应所述建筑屋面的实际测量数据，并根据所述实际测量数据对所述建筑屋面的排水结构进行调整。

本发明基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法的进一步改进在于，根据所述实际测量数据对所述建筑屋面的排水结构进行调整包括：

将所述实际测量数据与所述建筑屋面的标准范围进行比对，当所述实际测量数据超出对应的标准范围时，调整所述排水结构中的分水线的位置、分水线的坡度、雨水斗的位置和/或雨水斗的类型。

本发明基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法的进一步改进在于，利用所述试验用水以模拟降雨的方式对所述屋面3D模型进行喷淋，包括：

调整喷淋试验用水的水量大小以实现模拟不同降雨量的降雨。

附图说明

图1为本发明基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参阅图1，本发明提供了一种基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法，解决现有屋面布置方案通过平面图进行效果评价，需要专业人员对排水结构进行评估，但其无法保证并兼顾管道的性能和屋面的排水能力。本发明的检测方法利用3D打印技术将屋面布置方案进行模型形成屋面3D模型，通过实验模拟降雨对屋面3D模型进行排水测试，检验现有布置的缺陷，加快屋面布置方案的确定速度，减少返工并降低施工成本。本发明的检测方法尤其适用于屋面设备较多，屋面复杂程度高，排水较为困难的情景。下面结合附图对本发明基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法进行说明。

参阅图1，显示了本发明基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法的流程图。下面结合图1，对本发明基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法进行说明。

如图1所示，本发明的基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法，包括如下步骤：

执行步骤S11，建立建筑屋面的屋面三维模型；可利用AutodeskRevit软件(建筑设计和施工软件)建立屋面三维模型，该AutodeskRevit软件专为建筑信息模型BIM而构建，BIM是以设计、施工到运行的协调、可靠的项目信息为基础而构建的集成流程。通过采用BIM，建筑公司可以在整个流程中使用一致的信息来设计和绘制创新项目，并且还可以通过精确实现建筑外观的可视化来支持更好的沟通，模拟真实性能以便让项目各方了解成本、工期与环境影响。在实际施工项目中，可将建立的建筑结构的BIM模型中对应屋面的模型导出从而形成步骤S11中所需的屋面三维模型。接着执行步骤S12。

执行步骤S12，利用3D打印机打印形成对应的屋面3D模型，3D打印机根据所建立的屋面三维模型进行打印形成对应的屋面3D模型。接着执行步骤S13。

执行步骤S13，利用试验用水对屋面3D模型进行喷淋，观察并记录排水历程；提供试验用水，利用试验用水以模拟降雨的方式对屋面3D模型进行喷淋，实现对屋面3D模型的排水试验，观察并记录该屋面3D模型上的排水结构的排水历程。该排水历程为屋面3D模型上的排水结构的整个排水过程，包括有排水时间、水流速度、积水情况以及排水情况等。

本发明利用3D打印技术模拟屋面布置方案，将屋面布置方案的平面图转化成立体的屋面3D模型，利用3D打印技术的模拟性和方便性的特点对建筑屋面进行模拟，尤其适用于屋面设备较多，屋面复杂程度高和排水较为困难的情景。本发明的检测方法有利于全方位、多角度对屋面3D模型进行检验，检验现有屋面布置方案的缺陷，根据检测结果可进行屋面布置方案的调整，有利于加快屋面布置方案的敲定，减少返工并降低施工成本。

作为本发明的一较佳实施方式，根据所建立的屋面三维模型，利用3D打印机打印形成对应的屋面3D模型之前还包括：对建立的屋面三维模型进行简化处理，将屋面三维模型中与排水无关的结构删除并保存形成于屋面排水结构相对应的屋面排水模型；再将屋面排水模型根据3D打印机的打印尺寸进行分割以形成多个打印模型单元。具体地，上述步骤可通过Autodesk 3DMAX软件来实现，先将AutodeskRevit软件建立的屋面三维模型导出FBX文件，将该FBX文件导入到Autodesk 3DMAX软件中，利用Autodesk 3DMAX软件对导入的屋面三维模型进行整理，将与排水功能无关的设备构件剔除以提高3D打印的效率，将简化处理后的屋面三维模型保存为FBX文件。在Autodesk 3DMAX软件中对简化处理后的屋面三维模型进行分割，根据3D打印机的打印尺寸对屋面三维模型进行分割，形成了多个打印模型单元，并导出STL文件，STL文件格式为3D打印机专用软件格式。

进一步地，利用3D打印机打印形成对应的屋面3D模型包括：利用3D打印机根据打印模型单元打印形成对应的3D模型单元；将3D模型单元拼接连接形成屋面3D模型。在利用3D打印机进行打印时，在Cura软件中设置层高、外围壁厚、填充密度等打印操作的参数，而后将STL文件格式的打印模型单元导入到Cura软件中进行切片制作，生产GCode并存入SD卡内，将SD卡放入3D打印机中进行3D打印，从而形成了对应打印模型单元的3D模型单元，进行对接拼接即形成了屋面3D模型。

更进一步地，将3D模型单元拼接连接形成屋面3D模型，包括：将相邻的两个3D模型单元通过热熔连接，并对连接处进行防水处理。制作屋面3D模型的打印材料与建筑屋面实际施工的混凝土相同，以提高排水试验的精确度。采用热熔连接能够确保3D模型单元连接牢固，且对连接处进行防水处理，以防止连接处漏水。

作为本发明的另一较佳实施方式，检测方法中提供试验用水的步骤包括：向水内加入染色剂或者色素形成有颜色的水并作为试验用水。采用有颜色的水作为试验用水能够方便对屋面3D模型进行排水试验时的观察，使得实验效果更直观。

作为本发明的又一较佳实施方式，观察并记录屋面3D模型上的排水结构的排水历程，包括：

观察屋面3D模型的排水情况，并获得对应排水结构的积水数据、排水时间数据以及水流速度数据；

记录所获得的积水数据、排水时间数据以及水流速度数据以形成实验检测数据。在对屋面3D模型进行喷淋排水试验时，观察屋面3D模型上的排水情况和积水情况，观看排水是否顺畅，屋面的各个结构位置处是否有积水，对应地将积水位置和积水程度形成积水数据进行记录；排水时间数据和水流速度数据根据总的喷淋试验用水的量和总的排水时间进行计算得出，较佳地，还可针对某一坡面进行排水时间和水流速度的计算，以验证该坡面坡度设计的合理性。

进一步地，在利用试验用水以模拟降雨的方式对屋面3D模型进行喷淋时包括：调整喷淋试验用水的水量以实现模拟不同降雨量的降雨。在喷淋排水试验中，可间隔地进行多次喷淋，每次的喷淋量根据降雨量来选择确定，该降雨量可来自建筑结构所在地区的前几年的降雨情况获得。在进行喷淋排水试验时，还可重现罕见的暴雨量，以确保设计的建筑屋面能够适应极为特殊的降雨情形。这样在记录实验检测数据时，可获得多种试验用水量对应的积水数据、排水时间数据以及水流速度，形成多组数据组，从而能够提高试验检测的准确度。

本发明的检测方法可适用于复杂工况，实现复杂工况下的水工模型试验，为了确保水力模型模拟的准确性，对实验检测数据进行量纲分析，以使其适用于评价实际建筑屋面的排水结构的排水性能，对实际的屋面布置方案提供有效的指导。本发明的水力模型(也即屋面3D模型)需保证几何相似、运动相似以及动力相似，从而能够确保其模拟屋面实际排水情况的准确性，对屋面布置方案提供真实有效的检测。在几何相似方面，本发明采用3D打印技术形成屋面3D模型，在精度上相对其他方式模型较为优越，能够保证几何相似的准确性，同时根据大多数工程的规模结合3D打印机的精度可将长度比尺设置在1:100以内，降雨量采用mm为单位计量，模型喷淋试验用水的量与实际降水量关系为长度比尺的平方，此比尺同时用在集水区的积水量计算参数；在运动相似方面，屋面3D模型的坡度由于与真实场景几何相似而坡度相同，如模型粗度系数与屋面面层相似，水流速度理论上相似，在此基础上可实地测得时间比尺和流速比尺；在动力相似方面，通过对3D打印模型材质进行水力实验，取得模型材质的粗度系数，该粗度系数为惯性力和粘滞力的比值，从而为动力相似提供参考依据。

作为本发明的再一较佳实施方式，该检测方法还包括：

根据屋面3D模型的尺寸和建筑屋面的尺寸计算得出长度比尺；

测量屋面3D模型中一坡度处的第一水流速度值，测量一建筑结构上与坡度相适应的结构处的第二水流速度值，根据第一水流速度值和第二水流速度值计算得出时间比尺和流速比尺；选择与屋面布置方案中的建筑屋面的结构相似的建筑结构，利用该实际建筑结构的测得水流速度来计算流速比尺，能够提高换算精度，使得转换后的数据更为准确。

根据长度比尺、时间比尺和流速比尺将实验检测数据转化为对应建筑屋面的实际测量数据，并根据实际测量数据对建筑屋面的排水结构进行调整。该实际测量数据为模拟的水力实验对屋面布置方案中的屋面排水结构的测试结果，本发明实现了对屋面布置方案中排水结构的检测，对屋面的排水设计进行了全方位、多交的的检验，有利于加快屋面布置方案的敲定，且屋面布置方案更为合理，排水效果及性能更佳。

进一步地，根据实际测量数据对建筑屋面的排水结构进行调整包括：

将实际测量数据与建筑屋面的标准范围进行比对，当实际测量数据超出对应的标准范围时，调整排水结构中的分水线的位置、分水线的坡度、雨水斗的位置和/或雨水斗的类型。分水线包括屋顶不同方向找坡排水的交接线，屋面平天沟或檐沟上两个纵坡顶部的交接线，起到组织排水作用，屋面雨水自分水线向两侧分流排下。确定分水线时，应使排水区的面积相近似，不宜多大，排水坡的底部应设雨水口，屋面雨水口位置应布置均匀，间距和大小决定于排水量。从而本发明的检测方法能够检验屋面布置方案中的分水线和雨水斗的原设计是否满足排水的要求，根据检测结果对分水线的位置、分水线的坡度、雨水斗的位置和雨水斗的类型(包括大小和种类)的设计进行验核，对不合理的地方及时进行调整，能够加速屋面布置方案的敲定。通过调整屋面分水线坡度方案和调整屋面雨水斗的位置，能够协调屋面排水与屋面功能协调性。

本发明的检测方法中，在屋面3D模型及实地工程在达到填洼水量后均可视为均匀流，由于填洼水量很小可视为没有填洼过程。对于水流在分水线上的运动方式的分析，视为以分水线两壁为槽的明渠恒定均匀流，通过计算雷诺数可基本确认为层流。在考虑积水深度要求的前提下通过明渠水流计算公式确定最大流量。由于水里实验的过程性，可对屋面排水全过程进行细致观察，通过实践比尺推测实际屋面排水所需实际。对于雨水斗的实际排水能力应参考长度比尺和时间比尺进行换算，设置合理的孔洞大小，同时检测原设计十分合理。在实验过程中可能发生水流的周期变化规律，对此应予以关注。屋面排水坡度的优化体现在可通过坡度的合理设置可规避传统设计方式中某些地区高程过高的缺陷，从而减轻楼面荷载。实际工程中可能由于屋面面积较小而导致屋面设备及设备基础较多，可能导致预先设计的屋面排水方案发生改变，因此采用3D打印模型进行模拟，同时积累经验，为进一步优化排水做数据支撑。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

建立建筑屋面的屋面三维模型；

根据所建立的屋面三维模型，利用3D打印机打印形成对应的屋面3D模型；以及

提供试验用水，利用所述试验用水以模拟降雨的方式对所述屋面3D模型进行喷淋，观察并记录所述屋面3D模型上的排水结构的排水历程；

观察并记录所述屋面3D模型上的排水结构的排水历程，包括：

观察所述屋面3D模型的排水情况，并获得对应所述排水结构的积水数据、排水时间数据以及水流速度数据；

记录所获得的所述的积水数据、排水时间数据以及水流速度数据以形成实验检测数据；

还包括：

根据所述屋面3D模型的尺寸和所述建筑屋面的尺寸计算得出长度比尺；

测量所述屋面3D模型中一坡度处的第一水流速度值，测量一建筑结构上与所述坡度相适应的结构处的第二水流速度值，根据所述第一水流速度值和所述第二水流速度值计算得出时间比尺和流速比尺；

根据所述长度比尺、所述时间比尺和所述流速比尺将所述实验检测数据转化为对应所述建筑屋面的实际测量数据，并根据所述实际测量数据对所述建筑屋面的排水结构进行调整。

2.如权利要求1所述的基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法，其特征在于，根据所建立的屋面三维模型，利用3D打印机打印形成对应的屋面3D模型之前还包括：

对所建立的屋面三维模型进行简化处理，将所述屋面三维模型中与排水无关的结构删除并保存形成与屋面的排水结构相对应的屋面排水模型；

将所述屋面排水模型根据所述3D打印机的打印尺寸进行分割以形成多个打印模型单元。

3.如权利要求2所述的基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法，其特征在于，利用3D打印机打印形成对应的屋面3D模型包括：

利用所述3D打印机根据打印模型单元打印形成对应的3D模型单元；

将所述3D模型单元拼接连接形成所述屋面3D模型。

4.如权利要求3所述的基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法，其特征在于，将所述3D模型单元拼接连接形成所述屋面3D模型，包括：

将相邻的两个3D模型单元通过热熔连接，并对连接处进行防水处理。

5.如权利要求1所述的基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法，其特征在于，提供试验用水包括：

向水内加入染色剂或者色素形成有颜色的水并作为试验用水。

6.如权利要求1所述的基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法，其特征在于，根据所述实际测量数据对所述建筑屋面的排水结构进行调整包括：

将所述实际测量数据与所述建筑屋面的标准范围进行比对，当所述实际测量数据超出对应的标准范围时，调整所述排水结构中的分水线的位置、分水线的坡度、雨水斗的位置和/或雨水斗的类型。

7.如权利要求1所述的基于3D打印技术对屋面的排水结构进行检测的方法，其特征在于，利用所述试验用水以模拟降雨的方式对所述屋面3D模型进行喷淋，包括：

调整喷淋试验用水的水量大小以实现模拟不同降雨量的降雨。