CN114059657A - 一种强化结构装配式3d打印房屋及其建造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强化结构装配式3D打印房屋及其建造方法，涉及建筑工程领域。本发明预先通过工厂加工完成主体钢结构框架所需构件，然后根据建筑物高度进行现场装配主体钢结构框架作为3D打印装置的支撑体系，进一步运用3D打印钢筋混凝土技术，通过两类打印喷头，以逐层打印的方式构造打印墙体结构，最终预制钢结构自上而下贯穿含有预留孔洞的打印墙体，间隙通过浇筑粘合剂快速振捣形成完整的建筑结构，从而加强了建筑结构各层构件的连接强度，使得打印墙体具有更强的承载能力。

Description

一种强化结构装配式3D打印房屋及其建造方法
技术领域
本发明涉及建筑工程领域，尤其涉及一种强化结构装配式3D打印房屋及其建造方法。
背景技术
在新技术以及政策的推动下,3D打印建筑成为了目前建筑业“智能化”生产的重要表现形式。3D打印建筑主要运用3D打印技术，通过BIM技术建立数字模型，逐层打印的方式来构造建筑物。
现有的建筑用 3D 打印装置及方法具有如下缺点 ：
1.3D打印墙体由水泥材料层层堆叠而成，结构单一，一体化成型，墙体内部无钢筋等结构件支撑，导致房屋结构顶层与底层之间的支撑力不够高，普遍存在建筑整体性差、稳定性低、结构安全性不高的问题；
2.随着建筑层数的增高，3D打印装置本身的升高幅度受限，打印精度无法保证。
鉴于3D打印建筑存在的问题，特提出一种强化结构装配式3D打印房屋及其建造方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种强化结构装配式3D打印房屋及其建造方法，通过安装主体钢结构框架作为3D打印装置的支撑体系，最终预制钢结构构件贯穿3D打印墙体结构，一方面解决了3D打印建筑整体性差、稳定性低、结构安全性不高的问题，另一方面解决了3D打印的精确定位打印问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种强化结构装配式3D打印房屋，包括基础底板结构、主体钢结构框架、3D打印装置、智能联动系统、打印系统、打印墙体结构、预制钢结构构件、预制楼板结构，其特征在于：所述基础底板结构为现浇混凝土结构，表面均匀设置若干预埋桩；所述主体钢结构框架为钢结构立柱与钢结构桁架组成的钢结构框架；所述钢结构立柱垂直设置并与预埋桩通过螺栓有效连接，钢结构立柱上设置有齿轮升降装置；所述钢结构桁架包含X轴桁架和Y轴桁架，其中X轴桁架、Y轴桁架上分别设置有滑动导轨装置；所述X轴桁架通过齿轮升降装置水平设置，所述Y轴桁架设置在X轴滑动导轨装置上并与X轴桁架呈90度，所述3D打印装置设置在Y轴滑动导轨装置上；所述智能联动系统通过步进电机驱动实现X轴桁架、Y轴桁架、3D打印装置分别沿Z轴、X轴、Y轴方向可控移动；所述打印系统控制3D打印装置按照设计路径在X轴、Y轴、Z轴工作状态；所述打印墙体结构为3D打印装置逐层打印方式制成，构造含有预留孔洞的墙体；所述预制钢结构构件自上而下贯穿所述预留孔洞，与打印墙体结构粘结固定；所述预制楼板结构安装在打印墙体结构上，与预制钢结构构件垂直设置。
进一步地，所述主体钢结构框架作为3D打印装置的支撑体系，钢结构立柱的高度大于建筑高度，钢结构桁架的宽度大于建筑宽度。
进一步地，所述预埋桩个数与所述垂直设置的单元钢结构立柱数量一致。
进一步地，所述3D打印装置设置两类打印喷头，打印材料分别采用树脂水泥与固化剂。
进一步地，所述智能联动系统与所述齿轮升降装置以及滑动导轨装置电连接。
进一步地，所述打印系统与所述3D打印装置电连接。
进一步地，所述预制钢结构构件与打印墙体结构间隙通过浇筑粘合剂快速振捣形成完整的浇筑构件。
进一步地，一种强化结构装配式3D打印房屋的建造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设计房屋建筑图、结构图，依据设计工厂加工完成所需钢结构构件，运至施工现场；
S2：依据设计要求进行现场基础底板结构施工，设置预埋桩，完成现浇混凝土结构；
S3：安装主体钢结构框架作为3D打印装置的支撑体系：先垂直安装钢结构立柱并与预埋桩通过螺栓有效连接，进一步水平吊装钢结构桁架，其中平行的X轴桁架通过钢结构立柱上的齿轮升降装置固定连接，Y轴桁架则通过X轴桁架上的滑动导轨装置固定连接，最后3D打印装置固定在Y轴桁架的滑动导轨装置上，连接供料装置；
S4：智能联动系统通过步进电机驱动实现X轴桁架、Y轴桁架、3D打印装置分别沿Z轴、X轴、Y轴方向可控移动；
S5：当3D打印装置移动到最佳位置，确定打印起点，开始打印，打印系统控制两类打印喷头在X轴、Y轴、Z轴按照设计路径逐层打印方式制成打印墙体结构，构造含有预留孔洞的墙体；
S6：当打印墙体结构每达到一层建筑高度时停止3D打印装置施工，吊装完成一组预制钢结构构件的安装，贯穿含有预留孔洞的墙体，浇筑粘合剂形成完整的浇筑构件，进一步将预制楼板结构安装在打印墙体结构上，与预制钢结构构件垂直设置形成稳定的一层建筑结构；
S7：在安装完成的建筑结构上设置预埋件，重复S3到S6，完成第二层建筑结构施工。
本发明的有益效果是：预先通过工厂加工完成主体钢结构框架所需构件，然后根据建筑物高度进行现场装配主体钢结构框架作为3D打印装置的支撑体系，进一步运用3D打印钢筋混凝土技术，通过两类打印喷头，以逐层打印的方式构造打印墙体结构，最终预制钢结构自上而下贯穿含有预留孔洞的打印墙体，间隙通过浇筑粘合剂快速振捣形成稳定的建筑结构，一方面加强了建筑结构各层构件的连接强度，使得打印墙体具有更强的承载能力，另一方面解决了3D 打印的精确定位打印问题。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明：
图1为本发明示意图；
图2为本发明侧视图；
图3为本发明一层建筑示意图；
图4为本发明主体钢结构框架和墙体结构示意图；
图5为本发明齿轮升降装置示意图；
图6为本发明滑动轨道装置示意图；
图7为本发明3D打印装置示意图；
附图标记：基础底板结构1、预埋桩11、主体钢结构框架2、钢结构立柱21、齿轮升降装置211、钢结构桁架22、X轴桁架221、Y轴桁架222、滑动导轨装置223、步进电机23、3D打印装置3、两类打印喷头31、供料装置32、打印墙体结构4、预留孔洞41、预埋件42、预制钢结构构件5、预制楼板结构6。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、稳定地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅附图1-7，本发明提供一种技术方案：
一种强化结构装配式3D打印房屋，包括基础底板结构1、主体钢结构框架2、3D打印装置3、智能联动系统、打印系统、打印墙体结构4、预制钢结构构件5、预制楼板结构6。所述基础底板结构1为现浇混凝土结构，表面均匀设置若干预埋桩11，所述主体钢结构框架2为钢结构立柱21与钢结构桁架22组成的钢结构框架，通过现场装配作为3D打印装置的支撑体系，其中钢结构立柱21的高度大于建筑高度，钢结构桁架22的宽度大于建筑宽度。所述钢结构立柱21垂直设置并与预埋桩11通过螺栓有效连接，所述钢结构桁架22包含X轴桁架221和Y轴桁架222，其中预埋桩11个数与垂直设置的单元钢结构立柱21数量一致，钢结构立柱21上设置有齿轮升降装置211，X轴桁架221、Y轴桁架222上分别设置有滑动导轨装置223。所述X轴桁架221通过齿轮升降装置211水平设置，Y轴桁架222设置在X轴滑动导轨装置223上并与X轴桁架221呈90度，3D打印装置3设置在Y轴滑动导轨装置223上。所述智能联动系统与齿轮升降装置211以及滑动导轨装置223电连接，可通过步进电机23驱动实现X轴桁架221、Y轴桁架222、3D打印装置3分别沿Z轴、X轴、Y轴方向可控移动。所述打印系统与3D打印装置3电连接，通过电脑智能控制3D打印装置3按照设计路径在X轴、Y轴、Z轴工作状态，其中3D打印装置3设置两类打印喷头31，打印材料分别采用树脂水泥与固化剂，这里树脂水泥为树脂砂浆和水泥混合而成的高强度浆料。打印墙体结构4为3D打印装置3逐层打印方式制成，每铺设一层树脂水泥同时需铺设一层固化剂，构造含有预留孔洞41的墙体。所述预制钢结构构件5自上而下贯穿预留孔洞41，间隙通过浇筑粘合剂快速振捣与打印墙体结构粘结固定，形成完整的浇筑构件，所述预制楼板结构6安装在打印墙体结构上，与预制钢结构构件5垂直设置。
本发明还公开了一种强化结构装配式3D打印房屋的建造方法，包括以下步骤：
步骤一：设计房屋建筑图、结构图，根据设计要求工厂预先加工所需钢结构构件，包含单元钢结构立柱21、单元钢结构桁架22、预制钢结构构件5、预制楼板结构6，运至施工现场；
步骤二：现场基础底板结构1施工，布置横向钢筋网片，设置预埋桩11，浇筑钢筋混凝土成型，完成现浇混凝土结构，进一步3D打印装置3基础施工；
步骤三：安装主体钢结构框架2作为3D打印装置的支撑体系，首先垂直吊装单元钢结构立柱21并与预埋桩11有效连接，然后根据建筑高度组合拼装单元钢结构立柱21形成主体钢结构框架2竖向支撑体系，进一步水平吊装单元钢结构桁架22，仍然根据建筑大小组合拼装单元钢结构桁架22形成主体钢结构框架2横向支撑体系，其中X轴桁架221通过齿轮升降装置211水平设置在钢结构立柱21上，Y轴桁架222设置在X轴滑动导轨装置223上并与X轴桁架221呈90度，最后3D打印装置3设置在Y轴滑动导轨装置223上，连接供料装置32；
步骤四：根据设计要求，智能联动系统可通过步进电机23驱动实现X轴桁架221、Y轴桁架222、3D打印装置3分别沿Z轴、X轴、Y轴方向可控移动，进一步X轴桁架221沿Z轴齿轮升降装置211实现升降移动，Y轴桁架222沿X轴滑动导轨223实现前后移动，3D打印装置3沿Y轴滑动导轨223实现左右移动；
步骤五：当3D打印装置3移动到最佳位置，确定打印起点，开始打印，打印系统控制两类打印喷头31在X轴、Y轴、Z轴按照设计路径逐层打印方式制成打印墙体结构4，每层铺设一层树脂水泥同时铺设一层固化剂，构造含有预留孔洞41的墙体；
步骤六：当打印墙体结构4每达到一层建筑高度时停止3D打印装置3施工，吊装完成一组预制钢结构构件5的安装，预制钢结构构件5自上而下贯穿含有预留孔洞41的墙体，此时预制钢结构构件5与打印墙体结构4间隙需通过浇筑粘合剂快速振捣形成完整的浇筑构件，进一步将预制楼板结构6安装在打印墙体结构4上，与预制钢结构构件5垂直设置形成稳定的一层建筑结构；
步骤七：在安装完成的建筑结构上设置预埋件42，用以固定组装单元钢结构立柱21最大程度保持平稳防止晃动，重复步骤三到步骤六，完成第二层建筑结构施工。

Claims (8)

1.一种强化结构装配式3D打印房屋，包括基础底板结构、主体钢结构框架、3D打印装置、智能联动系统、打印系统、打印墙体结构、预制钢结构构件、预制楼板结构，其特征在于：所述基础底板结构为现浇混凝土结构，表面均匀设置若干预埋桩；所述主体钢结构框架为钢结构立柱与钢结构桁架组成的钢结构框架；所述钢结构立柱垂直设置并与预埋桩通过螺栓有效连接，钢结构立柱上设置有齿轮升降装置；所述钢结构桁架包含X轴桁架和Y轴桁架，其中X轴桁架、Y轴桁架上分别设置有滑动导轨装置；所述X轴桁架通过齿轮升降装置水平设置，所述Y轴桁架水平设置在X轴滑动导轨装置上并与X轴桁架呈90度，所述3D打印装置设置在Y轴滑动导轨装置上；所述智能联动系统通过步进电机驱动实现X轴桁架、Y轴桁架、3D打印装置分别沿Z轴、X轴、Y轴方向可控移动；所述打印系统控制3D打印装置按照设计路径在X轴、Y轴、Z轴工作状态；所述打印墙体结构为3D打印装置逐层打印方式制成，构造含有预留孔洞的墙体；所述预制钢结构构件自上而下贯穿所述预留孔洞，与打印墙体结构粘结固定；所述预制楼板结构安装在打印墙体结构上，与预制钢结构构件垂直设置。
2.根据权利要求1所述的一种强化结构装配式3D打印房屋，其特征在于：所述主体钢结构框架作为3D打印装置的支撑体系，钢结构立柱的高度大于建筑高度，钢结构桁架的宽度大于建筑宽度。
3.根据权利要求1所述的一种强化结构装配式3D打印房屋，其特征在于：所述预埋桩个数与所述垂直设置的单元钢结构立柱数量一致。
4.根据权利要求1所述的一种强化结构装配式3D打印房屋，其特征在于：所述3D打印装置设置两类打印喷头，打印材料分别采用树脂水泥与固化剂。
5.根据权利要求1所述的一种强化结构装配式3D打印房屋，其特征在于：所述智能联动系统与所述齿轮升降装置以及滑动导轨装置电连接。
6.根据权利要求1所述的一种强化结构装配式3D打印房屋，其特征在于：所述打印系统与所述3D打印装置电连接。
7.根据权利要求1所述的一种强化结构装配式3D打印房屋，其特征在于：所述预制钢结构构件与打印墙体结构间隙通过浇筑粘合剂快速振捣形成完整的浇筑构件。
8.一种强化结构装配式3D打印房屋的建造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设计房屋建筑图、结构图，依据设计工厂加工完成所需钢结构构件，运至施工现场；
S2：依据设计要求进行现场基础底板结构施工，设置预埋桩，完成现浇混凝土结构；
S3：安装主体钢结构框架作为3D打印装置的支撑体系：先垂直安装钢结构立柱并与预埋桩通过螺栓有效连接，进一步水平吊装钢结构桁架，其中平行的X轴桁架通过钢结构立柱上的齿轮升降装置固定连接，Y轴桁架则通过X轴桁架上的滑动导轨装置固定连接，最后3D打印装置固定在Y轴桁架的滑动导轨装置上，连接供料装置；
S4：智能联动系统通过步进电机驱动实现X轴桁架、Y轴桁架、3D打印装置分别沿Z轴、X轴、Y轴方向可控移动；
S5：当3D打印装置移动到最佳位置，确定打印起点，开始打印，打印系统控制两类打印喷头在X轴、Y轴、Z轴按照设计路径逐层打印方式制成打印墙体结构，构造含有预留孔洞的墙体；
S6：当打印墙体结构每达到一层建筑高度时停止3D打印装置施工，吊装完成一组预制钢结构构件的安装，贯穿含有预留孔洞的墙体，浇筑粘合剂形成完整的浇筑构件，进一步将预制楼板结构安装在打印墙体结构上，与预制钢结构构件垂直设置形成稳定的一层建筑结构；
S7：在安装完成的建筑结构上设置预埋件，重复S3到S6，完成第二层建筑结构施工。
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