CN110076885A - 一种个性化预制钢混构件的数控模板系统及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种个性化预制钢混构件的数控模板系统及其使用方法，涉及工程结构构件的智能制造领域，系统包括数控软件模块，进行拓扑优化分析、材料设计，并确定调控方案；全自动模板模块，输入调控方案，安装并固定钢筋笼，进行浇筑；数字监控模块，获取钢筋笼的位置信息并反馈给全自动模板，同步调节钢筋笼位置，扫描成形构件并进行成形精度评估，方法包括进行拓扑优化分析、材料设计，并确定调控方案；输入调控方案，安装并固定钢筋笼，进行浇筑；获取钢筋笼的位置信息并反馈给全自动模板，同步调节钢筋笼位置，扫描成形构件并进行成形精度评估，本发明可以适应当前建筑工业化和数字化的发展趋势、以及建筑绿色、节能、低碳的发展目标。
Description
技术领域
本发明涉及工程结构构件的智能制造领域，具体涉及一种个性化预制钢混构件的数控模板系统及其使用方法。
背景技术
当前的建筑模板技术不能较好地适应建筑工业化和数字化建造的发展趋势，影响了建筑绿色、节能、低碳的发展目标。针对目前常用、在研的建筑模板，指出相应的缺点和不足如下：
1)传统模板技术：这类模板技术只能通过对板状构件或预制的曲面构件进行组装实现简单形状的钢混结构构件的生产制造，不能实现结构优化的结果，严重浪费建筑材料；这类模板技术生产效率较低，且较难实现数字化控制，人力成本较大；另外，传统的木制模板存在重复利用率较低的问题；
2)织物模板技术：这类模板技术可以近似模拟结构优化的结果、且考虑钢筋笼的安装与固定问题，从而只能实现建筑材料一定程度上的高效利用；另外，鉴于织物材料的强度问题，这类模板技术对结构构件的尺寸有一定的限制，不能实现大型构件的生产制造；该类模板的重复利用率较低；
3)3D打印模板技术：这类模板技术可实现完全数字化且可完全拟合结构优化的结果，但生产效率较低，严重影响工程结构的建造效率；另一方面，这类模板技术往往针对特定的结构构件，重复利用率较低。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种个性化预制钢混构件的数控模板系统及其使用方法，可以较好地适应当前建筑工业化和数字化的发展趋势、以及建筑绿色、节能、低碳的发展目标。
一种个性化预制钢混构件的数控模板系统，包括；
数控软件模块，进行预制钢混构件的拓扑优化分析，基于所述拓扑优化分析的结果，进行所述预制钢混构件的材料设计，并确定调控方案；
全自动模板模块，输入所述调控方案，安装并固定钢筋笼，并浇筑混凝土；
数字监控模块，获取所述钢筋笼的数字信息，并反馈给所述全自动模板模块，同步地调节钢筋笼的位置。
可选的，所述数控软件模块包括：
结构优化模块，根据建筑结构或桥梁结构特定位置结构构件的边界条件和受荷情况，利用拓扑优化方法对结构构件进行优化分析，确定所述预制钢混构件的基本形状；
材料设计模块，基于预制钢混构件的基本形状，根据相应的结构设计规范，进行预制钢混构件的材料设计，确定钢筋的型号、布置、用量，并绑扎所述钢筋笼，以待后用，同时，确定混凝土的标号、用量；
模板拟合模块，基于预制钢混构件的基本形状，进行拟合分析，调节并固定钢筋笼，确定调控方案。
可选的，所述全自动模板模块包括：
全自动模板，包括基座和伸缩单元，所述基座上设有若干伸缩单元，所述伸缩单元用于拟合预制钢混构件的基本形状；
材料输入设备，包括塑料薄膜铺设装置、数控模块输入装置、通风装置、钢筋笼吊装与混凝土浇筑装置，其中；
所述塑料薄膜铺设装置，用于铺设塑料薄膜至调控好的全自动模板处；
所述数控模块输入装置，用于输入所述调控方案,并控制所述伸缩单元和所述材料输入设备；
所述通风装置，进行抽气，使所述塑料薄膜可以吸附在全自动模板表面，从而可以封闭各伸缩单元之间的空隙；
所述钢筋笼吊装与混凝土浇筑装置，用于吊装钢筋笼，并进行混凝土浇筑。
可选的，所述数字监控模块包括：
3D扫描仪，用于对钢筋笼进行扫描，获取钢筋笼的数字信息，以及扫描已经成型的预制钢混构件，获取已经成型的预制钢混构件的数字信息；
数字信息处理模块，接收来自所述3D扫描仪的数字信息，处理所述数字信息，并将数字信息反馈给所述模板拟合程序模块，以便调整钢筋笼的位置，以及接收已经成型的预制钢混构件的数字信息，进行成型误差分析，并为后续整体结构分析提供依据。
可选的，所述伸缩单元包括驱动装置、连接结构和伸缩结构；
所述驱动装置的一端与所述基座连接，驱动装置的另一端与所述连接结构连接，连接结构的另一端与所述伸缩结构连接。
一种个性化预制钢混构件的数控模板的使用方法，包括；
进行预制钢混构件的拓扑优化分析，基于所述拓扑优化分析的结果，进行所述预制钢混构件的材料设计，并确定调控方案；
输入所述调控方案，安装并固定钢筋笼，并浇筑混凝土；
获取所述钢筋笼的数字信息，并反馈给所述全自动模板模块，同步地调节钢筋笼的位置。
可选的，所述进行预制钢混构件的拓扑优化分析，基于所述拓扑优化分析的结果，进行所述预制钢混构件的材料设计，并确定调控方案，具体包括：
根据建筑结构或桥梁结构特定位置结构构件的边界条件和受荷情况，利用拓扑优化方法对结构构件进行优化分析，确定所述预制钢混构件的基本形状；
基于预制钢混构件的基本形状，根据相应的结构设计规范，进行预制钢混构件的材料设计，确定钢筋的型号、布置、用量，并绑扎所述钢筋笼，以待后用，同时，确定混凝土的标号、用量；
基于预制钢混构件的基本形状，进行拟合分析，调节并固定钢筋笼，确定调控方案。
可选的，所述输入所述调控方案，安装并固定钢筋笼，并浇筑混凝土中使用到以下设备：
全自动模板，包括基座和伸缩单元，所述基座上设有若干伸缩单元，所述伸缩单元用于拟合预制钢混构件的基本形状；
材料输入设备，包括塑料薄膜铺设装置、数控模块输入装置、通风装置、钢筋笼吊装与混凝土浇筑装置，其中；
所述塑料薄膜铺设装置，用于铺设塑料薄膜至调控好的全自动模板处；
所述数控模块输入装置，用于输入所述调控方案,并控制所述伸缩单元和所述材料输入设备；
所述通风装置，进行抽气，使所述塑料薄膜可以吸附在全自动模板表面，从而可以封闭各伸缩单元之间的空隙；
所述钢筋笼吊装与混凝土浇筑装置，用于吊装钢筋笼，并进行混凝土浇筑。
可选的，所述获取所述钢筋笼的数字信息，并反馈给所述全自动模板模块，同步地调节钢筋笼的位置中使用到以下设备：
3D扫描仪，用于对钢筋笼进行扫描，获取钢筋笼的数字信息，以及扫描已经成型的预制钢混构件，获取已经成型的预制钢混构件的数字信息；
数字信息处理模块，接收来自所述3D扫描仪的数字信息，处理所述数字信息，并将数字信息反馈给所述模板拟合程序模块，以便调整钢筋笼的位置，以及接收已经成型的预制钢混构件的数字信息，进行成型误差分析，并为后续整体结构分析提供依据。
可选的，所述伸缩单元包括驱动装置、连接结构和伸缩结构；
所述驱动装置的一端与所述基座连接，驱动装置的另一端与所述连接结构连接，连接结构的另一端与所述伸缩结构连接。
本发明的优点在于：
本发明可以较好地适应当前建筑工业化和数字化的发展趋势、以及建筑绿色、节能、低碳的发展目标；
本发明可完全拟合结构拓扑优化的结果，实现钢混构件的特色化定制，便于安装和固定钢筋笼，实现建筑材料的高效利用，减少建筑材料的利用，从而达到降低碳排放的目的；
本发明可实现支模、钢筋笼安装与固定、混凝土浇筑与振捣、脱模等全部制造过程的数字化监测与控制，从而在确保生产精度的基础上，达到提高生产效率并降低人工成本的目的；
本发明在模板疲劳性能允许的范围内，可实现模板的完全重复性利用，从另一角度达到了降低碳排放的目。
附图说明
图1为本发明具体实施例结构示意图；
图2为本发明具体实施例中板、墙等板状钢混构件的数控模板示意图；
图3为本发明具体实施例中板、墙等板状钢混构件的工作原理图；
图4为本发明具体实施例中梁、柱等线性钢混构件的数控模板示意图；
图5为本发明具体实施例中梁、柱等线性钢混构件的工作原理图。
其中，1-伸缩单元，2-基座，3-塑料薄膜铺设装置，4-数控模块输入装置，5-通风装置，6-钢筋笼吊装与混凝土浇筑装置。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
作为本发明的一个实施例，本发明提出一种个性化预制钢混构件的数控模板系统，包括；
数控软件模块，进行预制钢混构件的拓扑优化分析，基于所述拓扑优化分析的结果，进行所述预制钢混构件的材料设计，并确定调控方案；
全自动模板模块，输入所述调控方案，安装并固定钢筋笼，并浇筑混凝土；
数字监控模块，获取所述钢筋笼的数字信息，并反馈给所述全自动模板模块，同步地调节钢筋笼的位置。
本发明还提出一种个性化预制钢混构件的数控模板的使用方法，包括；
进行预制钢混构件的拓扑优化分析，基于所述拓扑优化分析的结果，进行所述预制钢混构件的材料设计，并确定调控方案；
输入所述调控方案，安装并固定钢筋笼，并浇筑混凝土；
获取所述钢筋笼的数字信息，并反馈给所述全自动模板模块，同步地调节钢筋笼的位置。
通过该系统及其使用方法的设计，本发明可以较好地适应当前建筑工业化和数字化的发展趋势、以及建筑绿色、节能、低碳的发展目标；
本发明可完全拟合结构拓扑优化的结果，实现钢混构件的特色化定制，便于安装和固定钢筋笼，实现建筑材料的高效利用，减少建筑材料的利用，从而达到降低碳排放的目的；
本发明可实现支模、钢筋笼安装与固定、混凝土浇筑与振捣、脱模等全部制造过程的数字化监测与控制，从而在确保生产精度的基础上，达到提高生产效率并降低人工成本的目的；
本发明在模板疲劳性能允许的范围内，可实现模板的完全重复性利用，从另一角度达到了降低碳排放的目。
下面结合本发明的较佳实施例对该系统及其使用方法进行说明。
请参阅图1，该系统包括三大模块，包括：
数控软件模块，进行预制钢混构件的拓扑优化分析，基于拓扑优化分析的结果，进行预制钢混构件的材料设计，并确定调控方案，具体包括：
结构优化模块，根据建筑结构或桥梁结构特定位置结构构件的边界条件和受荷情况，利用拓扑优化方法对结构构件进行优化分析，确定所述预制钢混构件的基本形状；
材料设计模块，基于预制钢混构件的基本形状，根据相应的结构设计规范，进行预制钢混构件的材料设计，确定钢筋的型号、布置、用量，并绑扎所述钢筋笼，以待后用，同时，确定混凝土的标号、用量；
模板拟合模块，基于预制钢混构件的基本形状，进行拟合分析，调节并固定钢筋笼，确定调控方案。
全自动模板模块，输入调控方案，安装并固定钢筋笼，并浇筑混凝土，具体包括：
全自动模板，包括基座(2)和伸缩单元(1)，基座(2)上设有若干伸缩单元(1)，伸缩单元(1)用于拟合预制钢混构件的基本形状，还可以通过调控各个伸缩单元(1)的伸缩结构来启动全自动模板的振动模式，起到振捣作用，使混凝土进行均匀分布。伸缩单元(1)包括驱动装置、连接结构和伸缩结构；驱动装置的一端与基座(2)连接，驱动装置的另一端与连接结构连接，连接结构的另一端与伸缩结构连接，伸缩结构外露出基座(2)的上端面。本实施例中，该伸缩单元(1)可采用螺杆丝杠、液压系统等等，若采用螺杆丝杠，驱动装置为电动机，连接结构为螺杆，伸缩结构为丝杠；若采用液压系统，驱动装置为液压装置，连接结构为液压缸，伸缩结构为伸缩杆。
材料输入设备，包括塑料薄膜铺设装置(3)、数控模块输入装置(4)、通风装置(5)、钢筋笼吊装与混凝土浇筑装置(6)，其中；
塑料薄膜铺设装置(3)，用于铺设塑料薄膜至调控好的全自动模板处；
数控模块输入装置(4)，用于输入调控方案,并控制伸缩单元(1)，具体的是用来调控各个伸缩单元(1)的伸缩结构；
通风装置(5)，进行抽气，使塑料薄膜可以吸附在全自动模板表面，从而可以封闭各伸缩单元(1)之间的空隙，同时在预制钢混构件的养护期间，可以启动通风装置(5)的通气功能，并适时喷水，从而满足较好的养护条件；
钢筋笼吊装与混凝土浇筑装置(6)，用于吊装钢筋笼，并进行混凝土浇筑。
数字监控模块，获取钢筋笼的数字信息，并反馈给全自动模板模块，同步地调节钢筋笼的位置，具体：
3D扫描仪，用于对钢筋笼进行扫描，获取钢筋笼的数字信息，以及扫描已经成型的预制钢混构件，获取已经成型的预制钢混构件的数字信息；
数字信息处理模块，接收来自3D扫描仪的数字信息，处理数字信息，并将数字信息反馈给模板拟合程序模块，以便调整钢筋笼的位置，以及接收已经成型的预制钢混构件的数字信息，进行成型误差分析，并为后续整体结构分析提供依据。
下面结合板、墙等板状钢混构件以及梁、柱等钢混线性构件对该方法进行详细说明。
请参阅图2和图3，此为板、墙等板状钢混构件的数控模板的工作原理。
请参阅图4和图5，此为梁、柱等线性钢混构件的数控模板的工作原理。
板、墙等板状钢混构件以及梁、柱等线性钢混构件的数控模板的使用方法基本一致。
该方法具体包括以下步骤：
S1)根据建筑结构或桥梁结构特定位置结构构件的边界条件和受荷情况，利用拓扑优化方法对预制钢混构件进行优化分析，确定预制钢混构件的基本形状；
S2)基于预制钢混构件的基本形状，根据相应的结构设计规范，进行预制钢混构件的材料设计，确定钢筋的型号、布置、用量，并绑扎钢筋笼，以待后用，同时，确定混凝土的标号、用量；
S3)基于预制钢混构件的基本形状，利用模板拟合模块进行全自动模板模块的拟合分析，确定全自动模板上每个伸缩单元(1)的调控方案；
S4)通过数控模块输入装置(4)将S3)中确定的调控方案输入至全自动模板模块，调控每个伸缩单元(1)的伸缩结构，最终使全自动模板可以拟合预制钢混构件的基本形状；
S5)转动塑料铺设塑料薄膜铺设装置(3)进行塑料薄膜铺设，使得覆盖整个全自动模板，启动通风装置(5)的抽气功能，使塑料薄膜可以吸附在全自动模板的表面，从而可以封闭各基本伸缩单元(1)之间的空隙；
S6)将S2)中绑扎好的钢筋笼根据S2)中确定的布置信息，通过钢筋笼吊装与混凝土浇筑装置(6)吊装钢筋笼，并通过模板拟合程序模块调控全自动模板的个别伸缩单元(1)，用于固定钢筋笼；
S7)利用3D扫描仪对钢筋笼位置进行扫描，处理相应的数字信息，并将信息反馈给模板拟合模块，更新模板拟合信息，调整钢筋笼的位置；
S8)将S2)中确定好的混凝土材料标号、用量等信息，输入钢筋笼吊装与混凝土浇筑装置(6)中并将混凝土浇筑在已经确定好的全自动模板；
S9)启动全自动模板的振动模式，起到振捣作用，使混凝土进行均匀分布；
S10)养护期间，启动通风装置(5)的通气功能，并适时喷水，从而满足较好的养护条件；
S11)养护完毕，吊装钢混构件，利用3D扫描仪扫描已经成型的预制钢混构件，反馈至模板拟合模块，进行成型误差分析，并为后续整体结构分析提供依据；
S12)清理全自动模板，并恢复至初始状态。
综上所述，本发明的优点在于：
本发明可以较好地适应当前建筑工业化和数字化的发展趋势、以及建筑绿色、节能、低碳的发展目标；
本发明可完全拟合结构拓扑优化的结果，实现钢混构件的特色化定制，便于安装和固定钢筋笼，实现建筑材料的高效利用，减少建筑材料的利用，从而达到降低碳排放的目的；
本发明可实现支模、钢筋笼安装与固定、混凝土浇筑与振捣、脱模等全部制造过程的数字化监测与控制，从而在确保生产精度的基础上，达到提高生产效率并降低人工成本的目的；
本发明在模板疲劳性能允许的范围内，可实现模板的完全重复性利用，从另一角度达到了降低碳排放的目。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (10)
1.一种个性化预制钢混构件的数控模板系统，其特征在于，包括；
数控软件模块，进行预制钢混构件的拓扑优化分析，基于所述拓扑优化分析的结果，进行所述预制钢混构件的材料设计，并确定调控方案；
全自动模板模块，输入所述调控方案，安装并固定钢筋笼，并浇筑混凝土；
数字监控模块，获取所述钢筋笼的数字信息，并反馈给所述全自动模板模块，同步地调节钢筋笼的位置，以及获取最终成形的钢混构件的形状信息并进行成形精度评估。
2.根据权利要求1所述的一种个性化预制钢混构件的数控模板系统，其特征在于：所述数控软件模块包括：
结构优化模块，根据建筑结构或桥梁结构特定位置结构构件的边界条件和受荷情况，利用拓扑优化方法对结构构件进行优化分析，确定所述预制钢混构件的基本形状；
材料设计模块，基于预制钢混构件的基本形状，根据相应的结构设计规范，进行预制钢混构件的材料设计，确定钢筋的型号、布置、用量，并绑扎所述钢筋笼，以待后用，同时，确定混凝土的标号、用量；
模板拟合模块，基于预制钢混构件的基本形状，进行模板的拟合分析，并确定调控方案。
3.根据权利要求2所述的一种个性化预制钢混构件的数控模板系统，其特征在于：所述全自动模板模块包括：
全自动模板，包括基座和伸缩单元，所述基座上设有若干伸缩单元，所述伸缩单元用于拟合预制钢混构件的基本形状；
材料输入设备，包括塑料薄膜铺设装置、数控模块输入装置、通风装置、钢筋笼吊装与混凝土浇筑装置，其中；
所述塑料薄膜铺设装置，用于铺设塑料薄膜至调控好的全自动模板处；
所述数控模块输入装置，用于输入所述调控方案,并控制所述伸缩单元和所述材料输入设备；
所述通风装置，进行抽气，使所述塑料薄膜可以吸附在全自动模板表面，从而可以封闭各伸缩单元之间的空隙，同时可以输入空气给预制钢混构件的养护创造通风条件；
所述钢筋笼吊装与混凝土浇筑装置，用于吊装钢筋笼，并进行混凝土浇筑。
4.根据权利要求3所述的一种个性化预制钢混构件的数控模板系统，其特征在于：所述数字监控模块包括：
3D扫描仪，用于对钢筋笼进行扫描，获取钢筋笼的数字信息，以及扫描已经成型的预制钢混构件，获取已经成型的预制钢混构件的数字信息；
数字信息处理模块，接收来自所述3D扫描仪的数字信息，处理所述数字信息，并将数字信息反馈给所述模板拟合程序模块，以便调整钢筋笼的位置，以及接收已经成型的预制钢混构件的数字信息，进行成型误差分析，并为后续整体结构分析提供依据。
5.根据权利要求4所述的一种个性化预制钢混构件的数控模板系统，其特征在于：所述伸缩单元包括驱动装置、连接结构和伸缩结构；
所述驱动装置的一端与所述基座连接，驱动装置的另一端与所述连接结构连接，连接结构的另一端与所述伸缩结构连接。
6.一种个性化预制钢混构件的数控模板的使用方法，其特征在于，包括；
进行预制钢混构件的拓扑优化分析，基于所述拓扑优化分析的结果，进行所述预制钢混构件的材料设计，并确定调控方案；
输入所述调控方案，安装并固定钢筋笼，并浇筑混凝土；
获取所述钢筋笼的数字信息，并反馈给所述全自动模板模块，同步地调节钢筋笼的位置。
7.根据权利要求6所述的一种个性化预制钢混构件的数控模板的使用方法，其特征在于：所述进行预制钢混构件的拓扑优化分析，基于所述拓扑优化分析的结果，进行所述预制钢混构件的材料设计，并确定调控方案，具体包括：
根据建筑结构或桥梁结构特定位置结构构件的边界条件和受荷情况，利用拓扑优化方法对结构构件进行优化分析，确定所述预制钢混构件的基本形状；
基于预制钢混构件的基本形状，根据相应的结构设计规范，进行预制钢混构件的材料设计，确定钢筋的型号、布置、用量，并绑扎所述钢筋笼，以待后用，同时，确定混凝土的标号、用量；
基于预制钢混构件的基本形状，进行拟合分析，调节并固定钢筋笼，确定调控方案。
8.根据权利要求7所述的一种个性化预制钢混构件的数控模板的使用方法，其特征在于：所述输入所述调控方案，安装并固定钢筋笼，并浇筑混凝土中使用到以下设备：
全自动模板，包括基座和伸缩单元，所述基座上设有若干伸缩单元，所述伸缩单元用于拟合预制钢混构件的基本形状；
材料输入设备，包括塑料薄膜铺设装置、数控模块输入装置、通风装置、钢筋笼吊装与混凝土浇筑装置，其中；
所述塑料薄膜铺设装置，用于铺设塑料薄膜至调控好的全自动模板处；
所述数控模块输入装置，用于输入所述调控方案,并控制所述伸缩单元和所述材料输入设备；
所述通风装置，进行抽气，使所述塑料薄膜可以吸附在全自动模板表面，从而可以封闭各伸缩单元之间的空隙；
所述钢筋笼吊装与混凝土浇筑装置，用于吊装钢筋笼，并进行混凝土浇筑。
9.根据权利要求8所述的一种个性化预制钢混构件的数控模板的使用方法，其特征在于：所述获取所述钢筋笼的数字信息，并反馈给所述全自动模板模块，同步地调节钢筋笼的位置中使用到以下设备：
3D扫描仪，用于对钢筋笼进行扫描，获取钢筋笼的数字信息，以及扫描已经成型的预制钢混构件，获取已经成型的预制钢混构件的数字信息；
数字信息处理模块，接收来自所述3D扫描仪的数字信息，处理所述数字信息，并将数字信息反馈给所述模板拟合程序模块，以便调整钢筋笼的位置，以及接收已经成型的预制钢混构件的数字信息，进行成型误差分析，并为后续整体结构分析提供依据。
10.根据权利要求9所述的一种个性化预制钢混构件的数控模板的使用方法，其特征在于：所述伸缩单元包括驱动装置、连接结构和伸缩结构；
所述驱动装置的一端与所述基座连接，驱动装置的另一端与所述连接结构连接，连接结构的另一端与所述伸缩结构连接。
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