CN111400798A - 一种建筑3d切片建造方法及3d打印装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种建筑3D切片建造方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：获取建筑数据的分层处理与节点数据；S2：将获取的数据通过xyz轴进行点云阵列转换成相对应的xyz轴坐标信息；S3：对xyz轴坐标信息进行横向和纵向的切片，完成闭环曲线；S4：通过各曲线形成相应的建筑表皮结构分段路径，对分段路径进行分包、序列化；S5：采用矩阵式3D打印分布式生产方式完成各个模块的制造。本发明实现非线性建筑的快速建造，降低对工人的施工要求与工艺要求，施工难度与造价成本低。
Description
技术领域
本发明涉及建筑BIM快速成型领域，尤其是一种对混凝土3D造型布线路径的规划方法及相对该方法进行辅助的3D快速成型装置。
背景技术
现在有3D建筑的打印方法，但是复杂的3D建筑形体，与一般的以相对规整的建筑楼房不同，该建筑形体具有流线型，不规则型，雕塑形等特点，一般的常规建筑方式比较难以满足该建筑形式的建造，对工人的施工要求与工艺要求比较高，而且施工难度与造价成本相对偏高。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种，通过此方法降低施工难度，增加非线性建筑建造速度，并且大大降低了对施工人员经验和手艺的要求。
本发明采用的技术方案如下：
本发明一种建筑3D切片建造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取建筑数据的分层处理与节点数据；
S2：将获取的数据通过xyz轴进行点云阵列转换成相对应的xyz轴坐标信息；
S3：对xyz轴坐标信息进行横向和纵向的切片，完成闭环曲线；
S4：通过各曲线形成相应的建筑表皮结构分段路径，对分段路径进行分包、序列化；
S5：采用矩阵式3D打印分布式生产方式完成各个模块的制造。
进一步的，所述S1具体包括：将需要成型的建筑数据通过雕塑或者3D建模手段获取相对应的模型数据；所述3D建模手段包括：采用3D扫描仪对微缩版的建筑模型进行扫描或者根据3D建模工具获取3D模型。
进一步的，所述S2具体包括：
S20：在BIM可视化建模软件中输入建筑的层高、高度、应力、流线曲度参数，通过数据编辑进行点云转换，并生成点云数据参数坐标；
S21：核准校对坐标轴点，将点云数据生成点云坐标体系P＝[x,y,z]；
S22：将云点坐标系通过云点ICP算法成三角面。
进一步的，所述S20中，如果云坐标离合点无法获取相应平滑的曲线或者应力点无法满足，则坐标位置点采用代偿方式，获取可编辑的坐标点，并对该坐标点进行模拟测试与优化；如果满足应力与曲度要求，则生成具有xyz坐标数据的坐标参数点[x,y,z]。
进一步的，所述云点ICP算法步骤如下：
A:在目标点云P中取点集pi∈P；
B:找出源点云Q中的对应点集qi∈Q，使得||qi-pi||＝min；
C:计算旋转矩阵R和平移矩阵t，使得误差函数最小；
D:对pi使用上一步求得的旋转矩阵R和平移矩阵t进行旋转和平移变换，的到新的对应点集pi’＝{pi’＝R，pi+t,pi∈P}；
E:根据公式
计算pi’与对应点集qi的平均距离d；
F:如果d小于某一给定的阈值或者大于预设的最大迭代次数，则停止迭代计算。
进一步的，所述S22具体包括：
分别在带匹配的目标点云P和源点云Q中，按照一定的约束条件，找到最邻近点(pi，qi)；然后计算出最优匹配参数R和t，使得误差函数最小；误差函数为E(R，t)为：
其中n为最邻近点对的个数，pi为目标点云P中的一点，qi为源点云Q中与pi对应的最近点，R为旋转矩阵，t为平移向量；转换后形成将建筑信息模型划分为N行并锁定建筑分层高度，并通过每层的坐标曲面生成曲线，形成一个封闭的可编辑闭环曲线路径。
进一步的，所述S3具体包括：将闭环曲线路径数据通过切片软件，对整个建筑数据完成XYZ轴的切片和布线，最终得出钢筋走线的每个节点参数与Z轴与xy轴面的曲面弯曲程度。
进一步的，所述S4具体包括：对钢筋进行片段数区分，并得出每个段位的编号，编号的走位方式为：从分层轮廓上的距离原点最近的一顶点0开始，按照三角面轨迹规划方法，依次规划轨迹经过1、2、各点后回到0点，再从0点出发依次循环；形成CAD雕刻或绘制路径。
进一步的，所述绘制路径的方法包括：
第一步：初始化一个种子三角面，随机选点，基于该点进行临近搜索到第二点，在基于该线段中点临近搜索到第三点；
第二步：在种子三角面的基础上，进行面片的扩充，利用边的中点进行临近搜索，碰到合适的点，就会跟这条边构成一个新的三角面，同时构造出两条新边，依次类推…直到队列中不再有满足条件外边提供中点检索为止；
第三步：寻找新的种子三角面，进行第二步，直到再也无法找到合适的种子三角面，退出循环；
第四步：输出mesh，包含生成三角面，以及坐标路径与序列编号。
本发明一种用于建筑3D切片建造方法的3D打印装置，包括设置在建筑平面上的进料装置；还包括进料装置，所述进料装置包括进料管、喷嘴、伺服电机和送料机构；进料管连接喷嘴，喷嘴上方的进料管上安装有送料机构，送料机构连接伺服电机；所述进料管包括SLS激光粉末进料管和FDM流体混凝土进料管；所述喷嘴包括SLS喷嘴和FDM喷嘴。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明建筑3D切片建造方法，能够降低施工难度，增加非线性建筑建造速度，并且大大降低了对施工人员经验和手艺的要求；从而实现降低建筑企业，特别是针对大型游乐场的施工企业的成本和提高了该类企业的效率。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是实施例中初始化种子三角面的方法示意图。
图2是实施例中在种子三角面的基础上，进行面片的扩充方法示意图。
图3是本发明一种用于建筑3D切片建造方法的3D打印装置结构示意图。
图中标记：1为支撑模具，2为FDM喷嘴，3为建筑平面，4为SLS喷嘴，5为SLS激光粉末进料管，6为FDM流体混凝土进料管，7为伺服电机，8为送料机构。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明一种建筑3D切片建造方法，根据非线性的3D建筑模型数据和实际尺寸要求，借助类3D的工具，获得了建筑数据的分层处理与节点数据；并通过xyz轴进行点云阵列转换成相对应的xyz轴坐标信息；再对该坐标信息进行横向和纵向的切片，完成闭环曲线；通过各曲线形成相应的建筑表皮结构分段路径，对分段路径进行分包，序列化；最后通过矩阵式3D打印分布式生产方式完成各个模块的生产与制造，最后运输与安装。
通过此方法降低施工难度，增加非线性建筑建造速度，并且大大降低了对施工人员经验和手艺的要求；从而实现降低建筑企业，特别是针对大型游乐场的施工企业的成本和提高了该类企业的效率。
本发明建筑3D切片建造方法，具体包括以下步骤：
(1)将需要成型的建筑数据通过雕塑或者3D建模手段获取相对应的模型数据，运用3D扫描仪对微缩版的建筑模型进行扫描，或者根据3Dmax或Zbrush等3D建模工具获取3D模型；
(2)运用BIM可视化建模软件输入建筑的层高，高度，应力，流线曲度等参数，将该三维数通过数据编辑进行点云转换，并生成点云数据参数坐标，如果云坐标离合点无法获取相应平滑的曲线或者应力点无法满足，则坐标位置点采用代偿方式，获取可编辑的坐标点，并对该坐标点进行模拟测试与优化，如果满足上述的应力与曲度，则生成具有xyz坐标数据的坐标参数点[x,y,z]；
(3)核准校对后的坐标轴点，对该点云数据生成点云坐标体系P＝[x,y,z]，该体系分别为纵向体系和横向体系，并对上述坐标点进行横向生成相邻坐标点，和纵向相邻坐标点，该点云坐标体系是在建立在点线成面的云点ICP算法基础上进行切片分层处理，以获取三维数据轮廓和三维数据节点信息，该算法步骤如下：
①在目标点云P中取点集pi∈P；
②找出源点云Q中的对应点集qi∈Q，使得||qi-pi||＝min；
③计算旋转矩阵R和平移矩阵t，使得误差函数最小；
④对pi使用上一步求得的旋转矩阵R和平移矩阵t进行旋转和平移变换，的到新的对应点集pi’＝{pi’＝R，pi+t,pi∈P}；
⑤计算pi’与对应点集qi的平均距离d；
⑥如果d小于某一给定的阈值或者大于预设的最大迭代次数，则停止迭代计算。
(4)对这些云点坐标系通过ICP算法成三角面，其原理如下：分别在带匹配的目标点云P和源点云Q中，按照一定的约束条件，找到最邻近点(pi，qi)，然后计算出最优匹配参数R和t，使得误差函数最小。误差函数为E(R，t)为：
其中n为最邻近点对的个数，pi为目标点云P中的一点，qi为源点云Q中与pi对应的最近点，R为旋转矩阵，t为平移向量。
转换后形成将建筑信息模型划分为N行并锁定建筑分层高度，并通过每层的坐标曲面生成曲线，形成一个封闭的可编辑闭环曲线路径；
(5)将上述的路径数据通过切片软件，对整个建筑数据完成XYZ轴的切片和布线，最终得出钢筋走线的每个节点参数与Z轴与xy轴面的曲面弯曲程度。
(6)对钢筋进行片段数区分，并得出每个段位的编号，上述的坐标点编号的走位方式为从分层轮廓上的距离原点最近的一顶点0开始，按照三角面轨迹规划方法，依次规划轨迹经过1、2、各点后回到0点，再从0点出发依次循环；形成CAD雕刻或绘制路径。其步骤如下：
第一步：如图1所示，初始化一个种子三角面(随机选点，基于该点进行临近搜索到第二点；在基于该线段中点临近搜索到第三点)；
第二步：如图2所示，在种子三角面的基础上，进行面片的扩充，利用边的中点进行临近搜索，碰到合适的点，就会跟这条边构成一个新的三角面，同时构造出两条新边。依次类推…直到队列中不再有满足条件外边提供中点检索为止。
第三步：寻找新的种子三角面，进行第二步；直到再也无法找到合适的种子三角面，退出循环。
第四步：输出mesh，包含生成三角面，以及坐标路径与序列编号。
(7)生成的路径，在雕刻机或者是UV打印机，在平面上绘制钢筋模具；对该模具方式，可分为两种，一类：平面框架路径，二类：三维框架路径。针对不同的路径方式，一类模具运用FDM熔融沉积工艺制作方式，二类模具运用SLS选择性激光烧结工艺；
(8)对平面和三维路径形成的钢筋制作成龙骨，最后通过xyz轴的坐标下在3D立体空间进行相互连接，最终形成目标建筑的钢筋龙骨布线，再浇筑混凝土，形成可复杂造型的钢筋混凝土建筑造型。
如图3所示，本发明公开一种用于建筑3D切片建造方法的3D打印装置，包括设置在建筑平面上的进料装置；还包括进料装置，所述进料装置包括进料管、喷嘴、伺服电机和送料机构；进料管连接喷嘴，喷嘴上方的进料管上安装有送料机构，送料机构连接伺服电机；所述进料管包括SLS激光粉末进料管和FDM流体混凝土进料管；所述喷嘴包括SLS喷嘴和FDM喷嘴。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种建筑3D切片建造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取建筑数据的分层处理与节点数据；
S2：将获取的数据通过xyz轴进行点云阵列转换成相对应的xyz轴坐标信息；
S3：对xyz轴坐标信息进行横向和纵向的切片，完成闭环曲线；
S4：通过各曲线形成相应的建筑表皮结构分段路径，对分段路径进行分包、序列化；
S5：采用矩阵式3D打印分布式生产方式完成各个模块的制造。
2.根据权利要求1所述的建筑3D切片建造方法，其特征在于，所述S1具体包括：将需要成型的建筑数据通过雕塑或者3D建模手段获取相对应的模型数据；所述3D建模手段包括：采用3D扫描仪对微缩版的建筑模型进行扫描或者根据3D建模工具获取3D模型。
3.根据权利要求1所述的建筑3D切片建造方法，其特征在于，所述S2具体包括：
S20：在BIM可视化建模软件中输入建筑的层高、高度、应力、流线曲度参数，通过数据编辑进行点云转换，并生成点云数据参数坐标；
S21：核准校对坐标轴点，将点云数据生成点云坐标体系P＝[x,y,z]；
S22：将云点坐标系通过云点ICP算法成三角面。
4.根据权利要求3所述的建筑3D切片建造方法，其特征在于，所述S20中，如果云坐标离合点无法获取相应平滑的曲线或者应力点无法满足，则坐标位置点采用代偿方式，获取可编辑的坐标点，并对该坐标点进行模拟测试与优化；如果满足应力与曲度要求，则生成具有xyz坐标数据的坐标参数点[x,y,z]。
5.根据权利要求3所述的建筑3D切片建造方法，其特征在于，所述云点ICP算法步骤如下：
A:在目标点云P中取点集pi∈P；
B:找出源点云Q中的对应点集qi∈Q，使得||qi-pi||＝min；
C:计算旋转矩阵R和平移矩阵t，使得误差函数最小；
D:对pi使用上一步求得的旋转矩阵R和平移矩阵t进行旋转和平移变换，的到新的对应点集pi’＝{pi’＝R，pi+t,pi∈P}；
E:根据公式
计算pi’与对应点集qi的平均距离d；
F:如果d小于某一给定的阈值或者大于预设的最大迭代次数，则停止迭代计算。
6.根据权利要求1所述的建筑3D切片建造方法，其特征在于，所述S22具体包括：
分别在带匹配的目标点云P和源点云Q中，按照一定的约束条件，找到最邻近点(pi，qi)；然后计算出最优匹配参数R和t，使得误差函数最小；误差函数为E(R，t)为：
其中n为最邻近点对的个数，pi为目标点云P中的一点，qi为源点云Q中与pi对应的最近点，R为旋转矩阵，t为平移向量；转换后形成将建筑信息模型划分为N行并锁定建筑分层高度，并通过每层的坐标曲面生成曲线，形成一个封闭的可编辑闭环曲线路径。
7.根据权利要求1所述的建筑3D切片建造方法，其特征在于，所述S3具体包括：将闭环曲线路径数据通过切片软件，对整个建筑数据完成XYZ轴的切片和布线，最终得出钢筋走线的每个节点参数与Z轴与xy轴面的曲面弯曲程度。
8.根据权利要求1所述的建筑3D切片建造方法，其特征在于，所述S4具体包括：对钢筋进行片段数区分，并得出每个段位的编号，编号的走位方式为：从分层轮廓上的距离原点最近的一顶点0开始，按照三角面轨迹规划方法，依次规划轨迹经过1、2、各点后回到0点，再从0点出发依次循环；形成CAD雕刻或绘制路径。
9.根据权利要求8所述的建筑3D切片建造方法，其特征在于，所述绘制路径的方法包括：
第一步：初始化一个种子三角面，随机选点，基于该点进行临近搜索到第二点，在基于该线段中点临近搜索到第三点；
第二步：在种子三角面的基础上，进行面片的扩充，利用边的中点进行临近搜索，碰到合适的点，就会跟这条边构成一个新的三角面，同时构造出两条新边，依次类推…直到队列中不再有满足条件外边提供中点检索为止；
第三步：寻找新的种子三角面，进行第二步，直到再也无法找到合适的种子三角面，退出循环；
第四步：输出mesh，包含生成三角面，以及坐标路径与序列编号。
10.一种用于建筑3D切片建造方法的3D打印装置，其特征在于，包括设置在建筑平面上的进料装置；还包括进料装置，所述进料装置包括进料管、喷嘴、伺服电机和送料机构；进料管连接喷嘴，喷嘴上方的进料管上安装有送料机构，送料机构连接伺服电机；所述进料管包括SLS激光粉末进料管和FDM流体混凝土进料管；所述喷嘴包括SLS喷嘴和FDM喷嘴。
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