CN110017026B - 一种基于复合冰雪材料建造冰壳建筑物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于复合冰雪材料建造冰壳建筑物的方法，包括在制备地点将原材料采用加工工艺制成复合冰雪材料；对制成的复合冰雪材料进行降温处理，使复合冰雪材料的温度处于第一温度区间；在建造地点设置冰壳成型模具；将降温处理后的复合冰雪材料从制备地点运输至建造地点，并在运输过程中对其进行持续搅拌；在冰壳成型模具的外表面喷射降温处理后的复合冰雪材料形成冰壳，直至冰壳的厚度达到预设厚度后撤除冰壳成型摸具，形成自承重冰壳。本发明的复合冰雪材料和冰壳成型模具配合制备冰壳建筑物，复合冰雪材料能够提升其抗弯、抗剪性能，降低其脆性，以及冻结过程中水的流动性，从而能够实现通过喷射的方法，形成较大跨度冰壳的建造。

Description

一种基于复合冰雪材料建造冰壳建筑物的方法

技术领域

本发明涉及冰建筑领域，特别涉及一种基于复合冰雪材料建造冰壳建筑物的方法。

背景技术

冰壳建筑物是严寒或寒冷地区在冬季特有的建筑物，其多用于旅游资源开发或者其他用途，由于这些地区的冬季漫长、室外气温低，能够给冰壳建筑物的建造和维护提供有利条件，从而保障冰壳建筑物的形态。

冰壳建筑物的结构原理遵循壳体结构的基本力学原理，其建造模具多为“支模式”或“气承式”，其建造方法是在室外低温环境下，将冰雪材料喷射至刚性模具或气承式充气膜结构上，经过多轮喷射和凝固，形成一定的厚度，最后撤去模具或充气膜，得到一体化的冰壳结构与内部使用空间。

在实际建造过程中，冰雪材料主要为水，其凝固后脆性较大、易碎裂，抗弯矩和抗剪力的性能差，因此冰壳的强度不足，很难形成大跨度冰结构。同时由于纯水的流动性大，也使建造的条件更加苛刻，难度大大增加。同时，现有材料制备地点与喷射地点的距离远近难以控制。当距离较远时，搬运水带需要消耗大量人力；当距离较近时，材料制备环节与喷射环节相互干扰。考虑到施工地点周围的实际环境、交通组织、水电外接等问题，则在距离的设置上更难取得一个最优解。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于复合冰雪材料建造冰壳建筑物的方法，至少解决上述问题中的一个。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于复合冰雪材料建造冰壳建筑物的方法，包括：

在制备地点将原材料采用加工工艺制成复合冰雪材料，复合冰雪材料凝固前的流动性小且凝固后的强度高；

对制成的复合冰雪材料进行降温处理，使复合冰雪材料的温度处于第一温度区间；

在建造地点设置冰壳成型模具；

将降温处理后的复合冰雪材料从制备地点运输至建造地点，并在运输过程中对其进行持续搅拌；

在冰壳成型模具的外表面喷射降温处理后的复合冰雪材料形成冰壳，直至冰壳的厚度达到预设厚度后撤除冰壳成型摸具，形成自承重冰壳。

可选地，在制备地点将原材料采用加工工艺制成复合冰雪材料的步骤中：

所述原材料包括纤维材料和水。

可选地，在制备地点将原材料采用加工工艺制成复合冰雪材料的步骤中。

所述加工工艺的具体步骤如下：

原材料计算：根据第一容器的体积和所述复合冰雪材料的预设浓度范围，计算得到所述纤维材料和所述水的质量比；

原材料预处理：将所述纤维材料切碎至预定义尺寸区间；

原材料混合：将所述水和切碎的所述纤维材料按照两者的预设质量比进行配比，并在所述第一容器中进行混合，浸泡一段时间后得到浸泡液，使纤维材料充分吸水；

原材料搅拌：将浸泡一段时间后的所述浸泡液进行搅拌，直至所述纤维材料呈絮状，从而形成复合冰雪材料。

可选地，所述复合冰雪材料的预设浓度范围为3％～5％。

可选地，对制成的复合冰雪材料进行降温处理，以使复合冰雪材料的温度处于第一温度区间，包括：

将制成的所述复合冰雪材料转移至第二容器中；

在所述第二容器中对所述复合冰雪材料进行降温，以使其温度控制处于第一温度区间。

可选地，所述第一温度区间为5-10℃。

可选地，将降温处理后的复合冰雪材料运输至建造地点，并在运输过程中对其进行持续搅拌，包括：

准备存储模块和运输工具；

在所述存储模块内部装放降温处理后的所述复合冰雪材料，并对降温处理后的所述复合冰雪材料进行持续搅拌；

在制备地点将所述存储模块固定在所述运输工具上；

所述运输工具将所述存储模块从制备地点运输至建造地点。

可选地，在充气模型的外表面喷射降温处理后的复合冰雪材料形成冰壳，直至冰壳的厚度达到预设厚度后撤除冰壳成型摸具，形成自承重冰壳，包括：

准备喷射模块，用以喷射降温处理后的复合冰雪材料；

在喷射初期，所述喷射模块采用第一水流模式，控制喷射角度喷射降温处理后的所述复合冰雪材料，以使降温处理后的所述复合冰雪材料呈分散雾状并竖直落在所述冰壳成型模具的外表面，从而完成第一轮喷射；

第一轮喷射完成后，等待充气模型外表面的所述复合冰雪材料凝结成冰壳，直至冰壳表面达到凝固标准；

在冰壳表面达到凝固标准后，采用第一轮喷射的方法进行下一轮喷射；

在建造过程中，定期使用钻头检查冰壳厚度，待冰壳厚度达到预设厚度以上后，完成所述冰壳建筑物的喷射。

可选地，在建造过程中，定期使用钻头检查冰壳厚度，待冰壳厚度达到预设厚度以上后，完成所述冰壳建筑物的喷射，包括：

在室外温度低于温度阈值且冰壳已经达到厚度阈值时，所述喷射模块采用第二水流模式进行喷射；在喷射过程中，所述喷射模块采用大面积均匀喷射的方式。

可选地，所述喷射模块设置在所述运输工具上，所述喷射模块将所述存储模块中的复合冰雪材料进行喷射。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

(1)采用复合冰雪材料和冰壳成型模具配合建造冰壳建筑物，复合冰雪材料能够大大的提升其抗弯、抗剪性能，降低其脆性，以及冻结过程中水的流动性，从而能够实现通过喷射的方法，形成较大跨度冰壳的建造。

(2)复合冰雪材料是从制备地点运输到建造地点的，解决了水源地与冰壳建筑基地之间的矛盾，使在不具备水源的场地建造冰壳成为可能。同时，相对于人工搬运水带运送冰雪材料至建造地点的方式。解决了制备地点和建造地点距离较远时，搬运水带需要消耗大量人力的问题；以及制备地点和建造地点距离较近时，材料制备环节与喷射环节相互干扰的问题。

(3)建造过程中，能够分区动态轮做，相对于传统人工操控水带进行喷射方式，其能够进行较大规模的建造。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一种实施方式的流程示意图；

图2为本发明中运输模块、存储模块和喷射模块一种实施方式的示意图；

图3为本发明一种实施方式的示意图；

图中附图标记表示：

1-运输模块、2-存储模块、3-喷射模块；

31-基座、32-旋转盘、33-支撑臂、34-伸缩臂、35旋转喷头36-控制室。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，一种基于复合冰雪材料建造冰壳建筑物的方法，包括以下步骤：

S100：在制备地点将原材料采用加工工艺制成复合冰雪材料，复合冰雪材料凝固前的流动性(相对较)小且凝固后的强度高。

具体地，原材料包括纤维材料和水，纤维材料为亲水性，可选为纸、木屑、秸秆等，由此，通过纤维材料和水制成复合冰雪材料后，复合冰雪材料为水和纤维材料具有一定浓度比的混合物。复合冰雪材料浓稠度相对于水而言变大，因此，复合冰雪材料凝固前的流动性小是相对于水而言的，由于复合冰雪材料的流动性比水的流动性小，复合冰雪材料相对与水来说，其在冰壳成型模具上的滞留时间变长，在复合冰雪材料成型为冰壳时，流动性相对较小的复合冰雪材料，不会造成材料过多的浪费；同时，复合冰雪材料包含纤维材料，相对于水来说，纤维材料能够大大提升复合冰雪材料抗弯、抗剪性能，降低其脆性，在复合冰雪材料凝固成冰壳后，其强度大大增加，相对于水凝固形成的冰壳而言不易损坏。

加工工艺的步骤为：

(1)原材料计算：根据所述第一容器的体积和所述复合冰雪材料的预设浓度范围，计算得到所述纤维材料和所述水的质量比。

此步骤中，复合冰雪材料的预设浓度范围在3％～5％，由此，此浓度范围内的复合冰雪材料相对于其他浓度的复合冰雪材料更加有力于冰壳的形成。

(2)原材料预处理：将所述纤维材料切碎至预定义尺寸区间。

此步骤中，纤维材料切碎后，其长度为5cm-8cm，其宽度为3-5cm，由此，便于后续纤维材料与水进行混合。

(3)原材料混合：将所述水和切碎的所述纤维材料按照两者的预设质量比进行配比，并在所述第一容器中进行混合，浸泡一段时间后得到浸泡液，使纤维材料充分吸水。

(4)原材料搅拌：将浸泡一段时间后的所述浸泡液进行搅拌，直至所述纤维材料呈絮状，从而形成复合冰雪材料。

以下以纸和水作为原材料为例，生产复合冰雪材料的步骤为：

复合冰雪材料的浓度选为4％，结合第一容器的容积，先计算出纸和水的质量比；将厚度适宜的纸张通过碎纸机粉碎，直至长度为8cm，宽度为3cm；将纸和水按照两者的质量比添加至第一容器中，浸泡2分钟左右，待条状的纸张完全软化后，启动搅拌机，控制搅拌机频率为40Hz，至少搅拌15分钟，检验水槽内纸张已无片状，完全成为絮状后即为搅拌完成。

S200：对制成的复合冰雪材料进行降温处理，使复合冰雪材料的温度处于第一温度区间。

具体地，包括以下这步骤：

S201：将制成的所述复合冰雪材料转移至第二容器中:。

具体地，第一容器用来制造复合冰雪材料，由于冰壳建筑物的建造需要较多的复合冰雪材料，第一容器的容积满足不了使用需求，因此需要更大容积的第二容器来装放复合冰雪材料，以满足正常的使用需求，以使不会出现复合冰雪材料不够的情况。

S202：在所述第二容器中对所述复合冰雪材料进行降温，以使其温度控制处于第一温度区间。

具体地，复合冰雪材料的制备是在室内进行的，由于北方地区冬季室内有暖气，制备的复合冰雪材料温度会在15-20℃左右。而为了便于冰雪材料迅速冻结，最好选取室外温度低于-10℃的时间施工，温差达到30-40℃是常见情况。由此为了防止喷射复合冰雪材料时，其温度高于0℃过多，对冰壳已经冻结的部分造成融化，需要对复合冰雪材料进行降温处理。一般情况下，复合冰雪材料的温度控制在5℃-10℃。

将第一容器的复合冰雪材料抽取到第二容器后，第二容器通过换热的方式将复合冰雪材料进行降温处理，促使其温度位于第一温度区间，换热方式可选为在第二容器中增加散热器，通过散热器吸走复合冰雪材料的热量。根据对温度的实时测量控制散热器的工作，使其保证温度保持在第一温区并不至冻结。

同时，在复合冰雪材料位于第二容器中时，第二容器会对复合冰雪材料持续进行搅动，以使复合冰雪材料均匀降温，不致局部冻结。

S300：在建造地点设置冰壳成型模具。

具体地，采用喷射冰雪材料制作冰壳建筑物时，一般需要事先准备冰壳建造模具，在喷射复合冰雪材料前，先将冰壳成型模具固定在建造地点，为复合冰雪材料形成冰壳提供一个附着平台。

一种实施方式中，为了便于冰壳成型后拆除，冰壳成型模具为充气模型，其包括一体的气承式或者可组装的气肋式，充气模型使用时，需要将其固定在建造地点后，并对充气模型持续进行充气，确保充气模型整体涨开。

一种实施方式中，冰壳成型模具为覆盖承重膜的框架结构，框架结构使用时，需要事先通过钢拱或者支撑杆件进行搭建，并在外表面覆盖承重膜。

S400：将降温处理后的复合冰雪材料从制备地点运输至建造地点，并在运输过程中对其进行持续搅拌。

具体地，准备存储模块和运输工具；在所述存储模块内部装放降温处理后的所述复合冰雪材料，并对降温处理后的所述复合冰雪材料进行持续搅拌；在制备地点将所述存储模块固定在所述运输工具上；所述运输工具将所述存储模块从制备地点运输至建造地点。

此步骤中，为了复合冰雪材料的制备和喷射不相互干扰，制备地点和建造地点不在同一处，两者之间具有一定的距离，因此需要将复合冰雪材料运输到建造地点，通常需要用到存储模块和运输工具，存储模块用于装放降温处理后的复合冰雪材料，运输工具用于起到运输的作用。一种实施方式中，存储模块和运输工具是可拆卸的，在存储模块损坏或者其内部的复合冰雪材料用尽后，可以直接更换新的存储模块，节省时间。避免了现有建造系统扩展性不足的问题。由于现有建造系统搭建完成后，其无法快速调整尺寸与生产量，对冰壳建筑多规模尺寸和可能产生的材料需求量变化难以及时应对。

S500：在冰壳成型模具的外表面喷射降温处理后的复合冰雪材料形成冰壳，直至冰壳的厚度达到预设厚度后撤除冰壳成型摸具，形成自承重冰壳。

具体地，包括以下步骤：

S501：准备喷射模块，用以喷射降温处理后的复合冰雪材料。

此步骤中，喷射模块为半自动设备，相对于现有人工操控水带的喷射方式，其能够保障精确度和安全性。一种实施方式中，喷射模块设置在运输工具上，喷射模块将存储模块中的复合冰雪材料进行喷射，由于运输工具可以灵活移动，喷射具有较强的可调整性。且配备一名驾驶员、一名操作员即可完成操作，同时驾驶员和操作员距离较近，沟通方便。不需要像现有技术一样，由于材料储备池的水泵和水带的操作人员距离较远，容易由于沟通不畅造成失误，轻者造成材料浪费和设备损坏，重者威胁施工人员安全。

S502：在喷射初期，喷射模块采用第一水流模式，控制喷射角度喷射降温处理后的所述复合冰雪材料，以使降温处理后的所述复合冰雪材料呈分散雾状并竖直落在所述充气向的外表面，从而完成第一轮喷射。

此步骤中，第一水流模式为喷射模块的喷头采用细口径水流，由此，便于初级复合冰雪材料的快速凝固。

S503：第一轮喷射完成后，等待充气模型外表面的所述复合冰雪材料凝结成冰壳，直至冰壳表面达到凝固标准。

此步骤中，凝结时间要根据喷射流量和温度的相互作用确定，如温度较低，大面积进行喷射，控制好流量采用分区动态轮做的情况下，等待时间可以缩短或无需等待。

凝固标准为：冰壳表面无液态水为准。由此，便于下一轮喷射的进行。

同时，在停止喷射、等待凝固的阶段，喷射模块通过自身加热的方式防止复合冰雪材料冻结，以便后续喷射活动的进行。

S504：在冰壳表面达到凝固标准后，采用第一轮喷射的方法进行下一次喷射。

此步骤中，重复第一次喷射的步骤，是为了以叠层的方式来增加冰壳的厚度，从而实时进行厚度调控，避免冰壳厚度不均匀现象的发生。同时解决大体积冰壳在冻结过程中由于膨胀变形较大而容易碎裂的问题。

S505：在建造过程中，定期检查冰壳厚度，待冰壳厚度达到预设厚度以上后，完成所述冰壳建筑物的喷射。

此步骤中，预设厚度是通过冰壳建筑物的结构计算得到的，在建造过程中，为了更加准确的判断冰壳的厚度，一般使用钻头来检测冰壳的厚度，从而控制冰壳的厚度均匀达到结构计算厚度。

步骤S505包括：

在室外温度低于温度阈值且冰壳已经达到厚度阈值时，喷射模块采用第二水流模式进行喷射；在喷射过程中，喷射模块采用大面积均匀喷射的方式。

此步骤中，温度阈值在-20℃以下，厚度阈值一般为预设厚度的一半以上，第二水流模式为喷射模块的喷头采用较大水流口径进行喷射。原则上避免形成可流动性水流。

复合冰雪材料的喷射过程中，运输模块带动喷射模块运动，即喷射模块是在运动过程中进行均匀、整体喷射。对于一些体积较小的冰壳建筑物，其工程量较少，一个喷射模块即可建造冰壳建筑物。而对于一些跨度较大的冰壳建筑物时，其工程量较大，采用一个喷射模块不足以完成或建设速度较慢时，可以对建筑进行分区，采用多个喷射模块同时施工的办法。或者当同时建造多座冰壳建筑，建筑距离较大时，也可以采用多个喷射模块分区动态轮做的方法。

复合冰雪材料是由生产模块制成的，生产模块包括第一容器、钢框架、搅拌机和切割组件，其中，钢框架罩在第一容器外部，由此便于安装其他部件；搅拌机的电机端固定在钢框架上，搅拌机的搅拌端伸进第一容器中，由此，避免搅拌时抖动过于剧烈；第一容器通过带截止阀的水管连接供水站，由此，便于向第一容器中供水；切割组件包括切割机和滑轨，滑轨固定设置在钢框架上，切割机滑动设置在导轨上；由此，便于切割机在第一容器上方切割纤维材料后，将切碎的纤维材料倒入第一容器中。

本实施例工作时，通过供水站向第一容器放入计算好的水量，将计算好的纤维材料放置在切割机上切碎，以便其在切碎过程中倒入第一容器中，为了便于纤维材料分布均匀，调整切割机在导轨上的位置；在纤维材料浸泡一段时间后，启动搅拌机，将纤维材料搅拌均匀即可。

上述的存储模块可以采用本实施例中生产模块的构造。

复合冰雪材料是通过运输模块运输的，如图2所示，本实施例中，运输模块为集存储、运输、喷射为一体的智能车，智能车主体为运输车，其设有喷射模块和存储模块，其中，运输模块包括箱体，箱体拆卸设置在智能车上，箱体的上方设有进料口，箱体的内部设有搅拌机，由此，从进料口填充复合冰雪材料，搅拌机工作能够防止复合冰雪材料冻结；喷射模块包括控制室、基座、旋转盘、支撑臂、伸缩臂和旋转喷头，其中，控制室和基座固定设置在智能车上；旋转盘转动式设置在基座上，由此，便于喷射模块的水平旋转；支撑臂转动式连接支撑臂，由此，起到调节旋转喷头与地面角度和支撑伸缩臂的作用；伸缩臂转动式连接支撑臂，由此，便于调节旋转喷头位置以与地面的角度；旋转喷头设置在伸缩臂上，其通过水管和水泵与存储模块相通，便于喷射复合冰雪材料。

本实施例中，上述转动连接均是通过电机进行带动的，伸缩臂是电缸进行控制，控制室可操作电机、电缸和水泵的运转。

在冰壳建筑物的整个制造过程中，如图3所示，生产模块可以为多个，便于快速制造复合冰雪材料，以满足冰壳建筑物的建造需求，在制备完成后，利用智能车上的存储模块装放复合冰雪材料，并对其进行实时搅拌，随后智能车将其运输到建造位置，利用喷射模块在喷射点进行多次喷射，相邻喷射过程中，等待复合冰雪材料凝固成冰壳。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于复合冰雪材料建造冰壳建筑物的方法，其特征在于，包括：

在制备地点将原材料采用加工工艺制成复合冰雪材料，相对于水而言，复合冰雪材料凝固前的流动性小且凝固后的强度高；

对制成的复合冰雪材料进行降温处理，使复合冰雪材料的温度处于第一温度区间；

在建造地点设置冰壳成型模具；

将降温处理后的复合冰雪材料从制备地点运输至建造地点，并在运输过程中对其进行持续搅拌；

在冰壳成型模具的外表面喷射降温处理后的复合冰雪材料形成冰壳，直至冰壳的厚度达到预设厚度后撤除冰壳成型摸具，形成自承重冰壳，包括：准备喷射模块，用以喷射降温处理后的复合冰雪材料；在喷射初期，所述喷射模块采用第一水流模式，控制喷射角度喷射降温处理后的所述复合冰雪材料，以使降温处理后的所述复合冰雪材料呈分散雾状并竖直落在所述冰壳成型模具的外表面，从而完成第一轮喷射；第一轮喷射完成后，等待充气模型外表面的所述复合冰雪材料凝结成冰壳，直至冰壳表面达到凝固标准；在冰壳表面达到凝固标准后，采用第一轮喷射的方法进行下一轮喷射；

在建造过程中，定期检查冰壳厚度，待冰壳厚度达到预设厚度以上后，完成所述冰壳建筑物的喷射，包括：在室外温度低于温度阈值且冰壳已经达到厚度阈值时，所述喷射模块采用第二水流模式进行喷射；在喷射过程中，所述喷射模块采用大面积均匀喷射的方式；

其中，第一水流模式为喷射模块的喷头采用细口径水流进行喷射，所述第二水流模式为喷射模块的喷头采用大口径水流进行喷射。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在制备地点将原材料采用加工工艺制成复合冰雪材料的步骤中：

所述原材料包括纤维材料和水。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在制备地点将原材料采用加工工艺制成复合冰雪材料的步骤中，

所述加工工艺的具体步骤如下：

原材料计算：根据第一容器的体积和所述复合冰雪材料的预设浓度范围，计算得到所述纤维材料和所述水的质量比；

原材料预处理：将所述纤维材料切碎至预定义尺寸区间；

原材料混合：将所述水和切碎的所述纤维材料按照两者的预设质量比进行配比，并在所述第一容器中进行混合，浸泡一段时间后得到浸泡液，使纤维材料充分吸水；

原材料搅拌：将浸泡一段时间后的所述浸泡液进行搅拌，直至所述纤维材料呈絮状，从而形成复合冰雪材料。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述复合冰雪材料的预设浓度范围为3%-5%。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对制成的复合冰雪材料进行降温处理，以使复合冰雪材料的温度处于第一温度区间，包括：

将制成的所述复合冰雪材料转移至第二容器中；

在所述第二容器中对所述复合冰雪材料进行降温，以使其温度控制处于第一温度区间。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一温度区间为5-10℃。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将降温处理后的复合冰雪材料从制备地点运输至建造地点，并在运输过程中对其进行持续搅拌，包括：

准备存储模块和运输工具；

在所述存储模块内部装放降温处理后的所述复合冰雪材料，并对降温处理后的所述复合冰雪材料进行持续搅拌；

在制备地点将所述存储模块固定在所述运输工具上；

所述运输工具将所述存储模块从制备地点运输至建造地点。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述喷射模块设置在所述运输工具上，所述喷射模块将所述存储模块中的复合冰雪材料进行喷射。

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