CN110528882A - 一种基于拓扑优化的装配式镂空建筑免拆模模板及其制备方法 - Google Patents

一种基于拓扑优化的装配式镂空建筑免拆模模板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于拓扑优化的装配式镂空建筑免拆模模板及其制备方法，包括建模、受力分析、迭代优化、生成3D打印模板模型、3D打印步骤，本发明通过拓扑优化得到镂空形状，该镂空结构是经过模拟承受力之后力学分析得到的，与实心建筑构件的承载能力相同，大量节省混凝土材料；还通过3D打印免拆模模板，无需设计打印支撑，打印产品的复杂程度不影响制作时间及制作质量，打印成品经过简单后处理，材料强度可大幅提高，可直接打印出建筑镂空构件内部中空形状，按照传统混凝土浇筑的方式将水泥浆以类似人类骨髓的形式灌入模板内部中空段，在保证构件承载力的前提下，节省大量混凝土材料。

Description

一种基于拓扑优化的装配式镂空建筑免拆模模板及其制备 方法
技术领域
本发明涉及3D打印建筑构件技术领域，尤其涉及一种基于拓扑优化的装配式镂空建筑免拆模模板及其制备方法。
背景技术
随着国家高速发展，国内基建行业对混凝土的需求量十分巨大，有统计称我国每年消耗混凝土总量达100亿吨左右。然而随着高消耗，也带来了极大的环境污染，随着国家节能减排的相关环境要求越来越高，对材料的节约成为制约建筑业环保的一大因素。
现有技术中对装配式建筑构件主要采用的生产方式是采用常规平面模板来搭建构件空腔，然后浇筑，这种方式生产出来的构件为实心结构，原材料需要量非常大，而且还需要拆模，将外部平面模板拆除，费时费工，且人工搭建平面模板只能生产结构简单规则的构件，严重限制多元化生产。
发明内容
有必要提出一种基于拓扑优化的装配式镂空建筑免拆模模板。
还有必要提出一种基于拓扑优化的装配式镂空建筑免拆模模板制备方法。
一种基于拓扑优化的装配式镂空建筑免拆模模板，包括若干装配面、及连接于装配面之间的3D打印异形镂空模型，在3D打印异形镂空模型内部预设浇筑水泥浆的空腔。
一种基于拓扑优化的装配式镂空建筑免拆模模板制备方法，包括以下步骤：
建模：利用相关BIM软件，依据装配式建筑构件建立装配式建筑BIM模型；
受力分析：依据装配式建筑构件的使用状态和受力情况设定力学参数；
迭代优化：将装配式建筑BIM模型模拟施加上述力学参数后，利用ABAQUS软件，对装配式建筑BIM模型进行载力情况下的拓扑优化迭代分析，生成建筑构件拓扑优化镂空3D模型原型；
生成3D打印模板模型：按构件尺寸差异，以建筑构件3D模型原型的外壁尺寸为基准向外拉伸3~5mm，形成建筑模板3D打印模型，所述建筑模板3D打印模型的内壁尺寸为建筑构件3D模型原型的外壁尺寸，建筑模板3D打印模型的外壁尺寸为建筑构件3D模型原型的外壁向外拉伸3~5mm的尺寸；
3D打印：导出建筑模板3D打印模型文件，使用3D打印机对建筑模板3D打印模型进行打印，打印后，在建筑模板3D打印模型内部形成与拓扑优化镂空建筑构件3D模型原型形状相同的空壳，即为浇筑水泥浆的镂空建筑免拆模模板。
优选的，所述3D打印材料为石英砂，粘接剂为呋喃树脂。
优选的，在“建模”步骤中，还包括设计构件装配接口的步骤。
本发明中，通过拓扑优化得到镂空形状，该镂空结构是经过模拟承受力之后力学分析得到的，与实心建筑构件的承载能力相同，大量节省混凝土材料；
另外，通过3D打印免拆模模板，无需设计打印支撑，打印产品的复杂程度不影响制作时间及制作质量，打印成品经过简单后处理，材料强度可大幅提高，可直接打印出建筑镂空构件内部中空形状，按照传统混凝土浇筑的方式将水泥浆以类似人类骨髓的形式灌入模板内部中空段，在保证构件承载力的前提下，节省大量混凝土材料。
附图说明
图1为装配式建筑构件10的结构示意图。
图2为经过本发明建模步骤的装配式建筑BIM模型20的结构示意图。
图3为经过受力分析和迭代优化步骤后的建筑构件3D模型原型30的结构示意图。
图4为经过抽壳步骤后得到的建筑模板3D打印模型40的结构示意图。
图5为3D打印成型的镂空建筑免拆模模板50的结构示意图。
图中：装配式建筑构件10、装配式建筑BIM模型20、建筑构件3D模型原型30、建筑模板3D打印模型40、镂空建筑免拆模模板50、装配面51、3D打印异形镂空模型52、空腔53。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
参见图1-5，本发明实施例提供了一种基于拓扑优化的装配式镂空建筑免拆模模板50，包括若干装配面51、及连接于装配面51之间的3D打印异形镂空模型52，在3D打印异形镂空模型52内部预设浇筑水泥浆的空腔53。
本发明还提出一种基于拓扑优化的装配式镂空建筑免拆模模板50制备方法，本发明列举一种较佳实施例，即以如一段竖直立式长方体墙体构件10为例，其两个主要受力参数为顶部向下的压力F1和底部向上的支撑力F2。
包括以下步骤：
建模步骤中：利用相关BIM软件，依据装配式建筑构件10（即此段竖直立式长方体墙体构件10）建立装配式建筑BIM模型20；
受力分析：依据装配式建筑构件10的使用状态和受力情况设定力学参数，即F1、F2；
迭代优化：将装配式建筑BIM模型20模拟施加上述力学参数后，利用ABAQUS软件，对装配式建筑BIM模型20进行载力情况下的拓扑优化迭代分析，生成拓扑优化镂空建筑构件3D模型原型30；
生成3D打印模板模型：以建筑构件3D模型原型30的外壁尺寸为基准向外拉伸3~5mm，形成建筑模板3D打印模型40，所述建筑模板3D打印模型40的内壁尺寸为建筑构件3D模型原型30的外壁尺寸，建筑模板3D打印模型40的外壁尺寸为建筑构件3D模型原型30的外壁向外拉伸3~5mm的尺寸；
3D打印：导出建筑模板3D打印模型40文件，使用3D打印机对建筑模板3D打印模型40进行打印，打印后，在建筑模板3D打印模型40内部形成与拓扑优化镂空建筑构件3D模型原型30形状相同的空壳，即为浇筑水泥浆的镂空建筑免拆模模板50。
进一步，在“3D打印”步骤之后，还设置了表面处理、浇筑、养护步骤，所述表面处理步骤为使用环氧树脂对模板外表面进行渗透，以增加其表面硬度，并对模板内部内表面吹灰、清理；所述浇筑步骤为在空壳内部浇筑水泥浆。
进一步，所述3D打印材料为石英砂，粘接剂为呋喃树脂。
进一步，在“建模”步骤中，还包括设计构件装配接口的步骤。
本发明实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种基于拓扑优化的装配式镂空建筑免拆模模板，其特征在于：包括若干装配面、及连接于装配面之间的3D打印异形镂空模型，在3D打印异形镂空模型内部预设浇筑水泥浆的空腔。
2.一种基于拓扑优化的装配式镂空建筑免拆模模板制备方法，其特征在于包括以下步骤：
建模：利用相关BIM软件，建立装配式建筑模型；
受力分析：依据装配式建筑构件的使用状态和受力情况设定力学参数；
迭代优化：将装配式建筑BIM模型模拟施加上述力学参数后，利用ABAQUS软件，对装配式建筑BIM模型进行载力情况下的拓扑优化迭代分析，生成建筑构件拓扑优化镂空3D模型原型；
生成3D打印模板模型：按构件尺寸差异，以建筑构件3D模型原型的外壁尺寸为基准向外拉伸3~5mm，形成建筑模板3D打印模型，所述建筑模板3D打印模型的内壁尺寸为建筑构件3D模型原型的外壁尺寸，建筑模板3D打印模型的外壁尺寸为建筑构件3D模型原型的外壁向外拉伸3~5mm的尺寸；
3D打印：导出建筑模板3D打印模型文件，使用3D打印机对建筑模板3D打印模型进行打印，打印后，在建筑模板3D打印模型内部形成与拓扑优化镂空建筑构件3D模型原型形状相同的空壳，形成浇筑水泥浆的镂空建筑免拆模模板。
3.如权利要求2所述的基于拓扑优化的装配式镂空建筑免拆模模板制备方法，其特征在于：
在“3D打印”步骤之后，还设置了表面处理、浇筑、养护步骤，所述表面处理步骤为使用环氧树脂对模板外表面进行渗透，以增加其表面硬度，并对模板内部内表面吹灰、清理；所述浇筑步骤为在空壳内部浇筑水泥浆。
4.如权利要求3所述的基于拓扑优化的装配式镂空建筑免拆模模板制备方法，其特征在于：所述3D打印材料为石英砂，粘接剂为呋喃树脂。
5.如权利要求2所述的基于拓扑优化的装配式镂空建筑免拆模模板制备方法，其特征在于：在“建模”步骤中，还包括设计构件装配接口的步骤。
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