当前位置:首页>> >>


3D打印建筑空间的方法研究.rar

收藏

资源目录
    文档预览:
    编号:20181101170523115    类型:共享资源    大小:11.01MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-04
    尺寸:148x200像素    分辨率:72dpi   颜色:RGB    工具:   
    35
    金币
    关 键 词:
    打印 建筑 空间 方法 研究
    资源描述:
    3D 建筑轮廓打印的方法研究吴大为,宋靖华武汉大学城市设计学院,武汉大学城市设计学院853016983@qq.com, 113318088@qq.com摘要:随着第三次工业革命和工业 4.0 高科技战略的兴起,以及“中国制造 2025”的经济和政策背景下,信息化和数字化智能制造成为必然趋势。3D 打印技术正是第三次工业革命重要标志之一。研究中通过以混凝土为主的配制材料进行 3d 建筑打印的工艺解析,建立 3D 建筑轮廓打印系统的基本规则和基本元素,旨在提出一套基于建筑空间学的系统性 3d 打印新方法,并且诠释 3D 建筑打印新方法在实际中的操作可行性和具体应用。3d 建筑打印新方法将推动实现个性化的生产,并创造大量新型材料,带来全球制造业经济重大变革。关键词:3D 打印;数字化;智能制造;工业 4.0RESEARCH ON METHOD OF 3D-PRINTING ARCHITECHTUREWu Da-wei1,Song Jing-hua1School of Urban Design at Wuhan University,China, School of Urban Design at Wuhan University,ChinaAbstract. With the rise of the Third Industrial Revolution and Industry 4.0 strategy, information technology and digital industry has become an inevitable trend. 3D printing technology is an important symbol of the Third Industrial Revolution. Through the preparation of concrete-based building materials for process analytical 3d printing, 3D printing space systems to establish basic rules and basic elements, proposed a set based on a systematic study of architectural space 3d printing new method, a new method for the interpretation of 3D architectural prints operational feasibility and application in practice. 3d architectural print new approach will contribute to the achievement of personalized mass production, and create a lot of new material, bring a major change in global manufacturing economy. While promoting the new changes in the construction disciplines of teaching and research.Keywords. 3D printing; digital; intelligent manufacturing; industry 4.01 概念介绍建筑行业面临着严峻矛盾与现实问题:人工效率非常低下;施工现场事故率很高;工程质量因人为因素难以控制;建筑工地的控制管理困难;熟练工流失严重,劳动力老化,新生代不愿进入艰苦的建造领域,用工成本逐年提高。3D 建筑打印工艺有效的解决这些问题。工业 4.0 是整个国家的制造业体系和工业水平,3D 建筑打印是一种数字化制造体系,是建筑行业甚至是工业产品行业的智能制造技术,推动工业 4.0 的快速发展。互联网+3D 建筑打印技术实现了互联网与智能制造业的融合,也将引发工业互联网、智能制造以及“无工厂制造”。3D 建筑轮廓打印是基于增材制造和快速成型原理,在工业机械控制系统下使用特定的建筑材料将计算机设计的虚拟模型通过挤压喷射技术打印成实体部件原型的建筑快速成型制造工艺。3D 建筑打印工艺具有一些普遍特点:(1) 原型可用材料范围宽;(2) 设计原型复制性和互换性高;(3) 制造工艺与制造原型的几何形状无关,形状越复杂越体现打印优势;(4) 周期短、成本低。原型复杂度不会增加成本,一般制造费用降低 50%,加工周期节约 70%以上;(5) 高度技术集成,实现设计制造一体化。本文解析基于混凝土配制材料的 3D 建筑打印工艺,集成和融合多学科多领域的科学技术,探索建筑业从低自动化、低效率、高成本、高风险的施工建造向高效率、自动化、低成本、低风险的建筑制造业转变,实现建筑行业的产业升级和变革,从而提高社会生产力,促进国家城镇化和经济强国的战略发展,如 图 1。研究中的 3D 建筑打印系统在设定简单规则的情况下,设计在整个建筑系统中能重复使用和自由组合的部件,通过赋予的 3D 打印算法逻辑来实现高效自由的打印方案。图 1 3d 打印轮廓的形式2 3D 混凝土建筑打印工艺解析2.1 打印工艺步骤:图 2 一般打印流程图 3 喷嘴打印腔体模拟打印操作流程:1)设定轨迹;2)层层打印;3)分段浇筑;4)控制流量:控制混凝土喷筑的启动和停止;5)优化轨迹;6)同层工作:多喷嘴系统的每个喷嘴总是在同一层工作的( 图 2)。如图所示,喷嘴挤压工艺可以打印墙体外层,并结合填充工艺(灌注或挤压)打印墙体内部。打印系统可以制造墙体部件,如内部波纹结构的空腔墙体。这种模式是打印混凝土墙体的一种优秀方案,并能广泛应用于各类建筑。打印机器灵活方便,能够快速拆卸、组装和运输,并且人力消耗少,无需监管就能实现自动化建造( 图 3)。2.2 3D 建筑打印方案1.建筑系统整体打印方案如 图 4,是一体成型的空间打印方案。通过唯一元部件“腔体”实现整个建筑系统的空间围合和分割,创建自由的二维平面和三维空间,特别是传统工艺难以创建的异形空间。如 图5,是打印和装配结合的空间打印方案。通过唯一主体元部件“腔体”和唯一连接元部件“连接体”来实现打印完整的空间系统。无论哪种方案,元部件在功能上是唯一的,元部件在自身形式和构造上是多元的。如“腔体”的腔体内部构造可以如下图所示产生各种变化,但整体形式和功能上是统一的。“连接体”可以是断面“工”形,也可以设计成其他各种多元形式,但功能上是不变的。1) 整体打印完整空间系统的模式:图 4 打印过程演示图 6 打印路径的设计。考虑路径起点、端点、悬空段、路径规则。图 5 一体化整体打印步骤一体化打印方案的步骤:① 设计合适的虚拟打印模型。根据跨度、悬空洞口、打印路径设计等因素来选择或设计好合适的虚拟打印模型。如保证每个洞口在打印末层处于开放状态,即打印体本身没有封闭洞口,这样可以保证一体打印的连续性。② 旋转 90°,设计打印路径,如图 6。③ 果要将楼地板打印出来,因为楼地板截面在建筑空间体中是垂直于水平面的,而目前技术中的打印喷嘴是水平分层运行的,明显的需要将指定空间体旋转 90°使打印层平行于水平面。打印路径按路径算法(旅行商算法)进行最优设计。④ 旋转 90°归正。主体结构打印完毕旋转 90°使体量归正,主体空间结构体就全部完成。两端的封闭不在打印过程中,留为使用功能,如玻璃封面,大敞空间,同时也是弥补打印体其它面上洞口面积的不足。一体化打印方案的特点和方法:一体化打印限制条件相对较多,路径的设计难度相对较大,需要在路径算法方面以及适于 3d 打印的建筑空间体系方面加大研究。2) 组合装配的分部打印模式:图 7-1 打印板块的装配 图 7-2 独立空间系统的组合装配由于目前 3D 打印技术和打印材料等各种制约因素,3D 打印空间系统技术在初步阶段可以考虑打印与组合装配的结合。图 7-1 是空间腔体板块的一种组合模式, 图 7-2 是已打印的独立空间结构体的一种组合模式。这是一种通过连接体来组织空间体或连接腔体板块的方法,这使得建筑空间结构的自由组合和无限拓展变得可能( 图 15)。这种连接体模式形成可拓展的开放的高效的空间打印体系,而这个体系中的两个唯一元素即打印元部件和连接元部件。2.喷嘴打印模式如图 8,3d 腔体的打印方式。图 8 墙体打印方式 图 9 3D 腔体的构造图 10打印墙体和板体部件组合的围合空间元部件的组合形成满足条件的所需要的围合空间。 如图 10,元部件作为墙体和楼板。2.3 单机器和多机器的系统方案一种方法是用一个大型龙门机器人完成每一层的打印任务,然后把各层叠加起来构建整个房子(如 图 11),但这种方法需要大量的预备场地和一个大型机器。另一种方法是同时使用多个移动机器人进行协调运作( 图 12[4])。采用移动机器人方案有几个优点,包括便于运输和安装、并行施工和可扩展设备数量,且不计入建筑占地面积。移动机器人使用传统机械构造、材料罐以及材料输送泵和管道。在整个运作过程,通过终端操作系统操控所携带喷嘴。如果移动机械臂足够精细,终端定位系统可以不需要。这种方法常被应用于一些工业领域的大型零部件焊接和船舶建造等。龙门机器臂方案庞大笨重占地要求大,有高度限制,适用低多层建筑。多机器人方案轻便灵活无高度限制可建高层。图 11 单机器系统模式图 12 多机器协同系统的打印模式 [4]图 13 打印路径模拟2.4 打印路径的优化设计:1) 打印路径的注意事项:① 找到结构最优打印路径。除了门窗洞口以外,每层的路径都类似,尽量使每层喷嘴的起点和终点在同一点。② 在建造过程中喷嘴必须在前一层完成的基础上再移动到上一层。③ 打印完一个墙段之后才能开始另一个墙段。④ 为了避免喷嘴和打印的墙体碰撞,在端点之间移动时,喷嘴抬高(至少一层高度)。⑤ 穿过窗户或门洞时,喷嘴停止工作(这段时间称为“空段”)。 ⑥ 控制打印流量(控制混凝土喷打的启动和停止)。⑦ 系统加速和减速时间可视为优化分析中的固定延迟。⑧ 提出适合生成基本结构打印轨迹优化方法。⑨ 多喷嘴系统的每个喷嘴保持在同层工作,喷嘴同时在不同层工作并不会提高系统效率( 图 13)。2)高效的 3D 打印路径的优化设计:相比传统建造方式,轮廓工艺可以节省相当多的时间和成本。建造成本取决于机器所消耗的时间和能源。总工程量可以通过已知的打印路径来计算,先把建筑分割成若干层,然后再把每一层转换为一个由边线和顶点组成的模块。路径 s 的优化和打印机速度的提升在降低打印时间方面潜力很大。通过打印机挤压喷头的多元设置和效率优化,针对不同环境和受力要求的墙体,采用有针对性的墙体形式可以节省更多时间,多元化设置打印机挤压喷头可以优化建造模式。3) 使用喷嘴进行打印路径的优化(设定都在同层工作, 图 14)(1)路线方案设计:①单路线运行:单喷嘴同路线运行;单喷嘴多喷头同路线运行;多喷嘴(单喷头或多喷头)同路线运行;②多路线运行:将同层的路径进行高效的算法分割,各段同时独立进行打印工作。(2)喷嘴设计:单喷头的喷嘴、多喷头的复合喷嘴。不同喷嘴可以选择不同材料或相同材料同步进行打印。图 14 喷嘴的几种组合模式3 讨论3.1 材料的固化和性能创造传统工艺下无法生产的新型建筑材料:通过现有材料的改造和试验,研究出适合打印机挤压施工的高性能环保安全材料,保证建筑结构的力学性能要求和对特殊环境的抗力。拓展适合打印的建筑材料的种类和范围,以适应不同环境条件下的严峻要求。加强打印机就地取材的特点和材料加工的能力,能够做到机器施工本土化和建筑特色地域化,达到环保低碳和经济便捷的要求。未来可以用于打印的材料有沙子、混凝土、纤维材料、塑料、金属材料、IT 玻璃、智能材料等等。对于有特殊要求的建筑,可将传感器甚至电子电路线等智能材料由电脑控制,直接打印在建造材料如混凝土、金属、玻璃等材料中,制造出传统工艺无法生产的极具有科幻色彩未来建筑材料,给人们带来充满未来感的空间感受。此外机敏混凝土可以在预定的位置精确沉降,以碳填充混凝土为例,它的电阻可以根据设计来精确设定的。像应变传感器、地板和墙壁加热器等功能是可以一种完全自动化的方式来建在墙体结构中。高层的打印思路可以考虑解决机器爬升和材料输送等关键问题。3.2 构造措施解决 3D 打印混凝土脆性破坏混凝土一直被认为是“脆性”材料,抗拉性能不足,在 3D 打印水平受拉部件时会有一定的限制。采用构造措施解决 3D 打印中材料性能安全水平受拉部件的构造措施:1)构件通过特殊连接组成水平受拉部件。板长需要有限制范围,跨度不能太大,打印的单向板构件的连接节点处采用抗拉构件缝合,大大加强抗拉结作用,如 图 15。图 15 打印元部件直接通过连接体的组合方式图 16 纤维 “筋层 ”的打印分布2)通过纤维层改善抗拉性能。碳纤维具有良好改善作用,玻璃纤维具有一定作用但是影响人体呼吸系统,考虑其他高分子材料进行材料的复合,如 图 16。3)打印喷嘴的设计。不同功能的多喷嘴协同工作,混凝土和改善抗拉性能的材料融合在一起;挤压成型原理的喷嘴设计,提高混合混凝土材料的强度;不同的喷嘴机械原理和运行机制对材料和结构的强度影响很大。3.3 其它(月球基地)近年来,人们越来越感兴趣于将一些行星作为太阳能发电、科研、工业化、太阳系探索和人类殖民的平台。特别是月球已被认为是作为太阳能发电的理想位置(随后通过卫星中继站用微波传输到地球)。在太阳能作为动力前提下,可以使用 3d 打印工艺在月球或其它环境中使用太阳能和当地材料来建造各种基础设施,如道路和房屋。可以尝试用月球表层土壤微波烧结生产砖石等建筑材料,用微波能量将月球土壤转变为熔融膏状物从喷嘴挤压出来以形成各种结构。4 结语3D 打印空间结构系统的技术对建筑行业具有革命性的推动作用,具有传统建造工艺无法比拟的优势,提出一套自动化和数字化的 3D 打印方法实践和应用意义重大。文章中的 3D打印方法优势明显,建筑类型、复杂性等因素不会增加建设成本。全程电脑控制,基于 CAD设计施工;无模板,省成本,无论形态复杂;可定制性好,可塑性好;可打印出任何细节特点与复杂曲面、管道等。自动智能化,建筑伤亡零,大大省去安全措施费。实现劳动力成本的节约,应对劳务费上涨;整体受力,性能加强;适应人无法承受的恶劣环境,如高原、雪山、沙漠、海洋;甚至外形移民。降低建筑粉尘污染,减少雾霾,绿色环保;可循环,无浪费。真正实现消费者量身定制的建筑产品;缩短工期以上,可实现节约大量的材料,使建筑成本大大降低。互联网+个性定制设计以及智能制造的建筑打印模式将颠覆传统建筑行业的生产模式。参考文献 参考期刊论文宋靖华,胡欣,3D 建筑打印研究综述,华中建筑,2015 年第 2 期,2-8. {Reference}李志国,陈颖,简凡捷,3D 打印建筑材料相关概念辨析,建筑工程,2014,(3):8-12. {Reference}李福平,邓春林,万晶.3D 打印建筑技术与商品混凝土行业展望[J].混凝土世界,2013,(3):28-29. {Reference}王子明,刘玮. 3D 打印技术及其在建筑领域的应用[J]. 混凝土世界,2015,01:50-57. {Reference}陈志文. “工业 4.0”在德国:从概念走向现实[J]. 世界科学,2014,05:6+13. {Reference}Jing Zhang, Behrokh Khoshnevis, Optimal machine operation planning for construction by Contour Crafting ,Automation in Construction 29 (2013) 50–67. {Reference}Alessandro Farinelli, Luca Iocchi, Daniele Nardi, Multirobot systems: a classification focused on coordination, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics 34 (5) (October 2004) 2015–2028. {Reference}Behrokh Khoshnevis ,Automated construction by contour crafting—related robotics and information technologies, Automation in Construction 13 (2004) 5– 19. {Reference}S. Lim,Developments in construction-scale additive manufacturing processes,Automation in Construction 21 (2012) 262–268. {Reference}T.T. Le, Hardened properties of high-performance printing concrete, cement and Concrete Research 42 (2012) 558–566. {Reference}Steven Keating, Neri Oxman,Compound fabrication A multi-functional robotic platform for digital, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing 29 (2013) 439–448. {Reference}Danijel Rebolj,Can we grow buildings Concepts and requirements for automated, Advanced Engineering Informatics 25 (2011) 390–398. {Reference}
    展开阅读全文
    1
      金牌文库所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
    0条评论

    还可以输入200字符

    暂无评论,赶快抢占沙发吧。

    关于本文
    本文标题:3D打印建筑空间的方法研究.rar
    链接地址:http://www.gold-doc.com/p-289015.html

    当前资源信息

    4.0
     
    (2人评价)
    浏览:14次
    bysj上传于2019-04-04
    1
    关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服客服 - 联系我们
    copyright@ 2014-2018 金牌文库网站版权所有
    经营许可证编号:浙ICP备15046084号-3
    收起
    展开