建筑工程施工設備及施工方法
【專利摘要】本發明公開一種建筑工程施工設備，包括塔吊、控制系統、物料添加系統、物料導管和安裝在塔吊上的3D打印機頭；控制系統用于建立模型并按工程建造要求設置3D打印精度，并利用3D建模軟件將所建立的模型進行分層切割，并根據每層模型信息通過塔吊控制3D打印機頭的位置；物料添加系統根據每層模型信息存儲建筑材料，并通過物料導管與3D打印機頭連通。本發明還公開一種建筑工程施工方法。采用本發明的建筑工程施工設備及施工方法，只需要技術人員管理設備運營、材料準備和現場管理，省去大部分工人施工現場手動施工作業，從而節約工程施工成本；可提高工程建設信息化、自動化及可視化施工技術水平。
【專利說明】建筑工程施工設備及施工方法【技術領域】
[0001]本發明涉及建筑領域，特別涉及一種建筑工程施工設備及施工方法。
【背景技術】
[0002]建筑工程施工是勞動密集型作業，需要大量普工和特種操作人員同時施工或交叉作業，自動化水平不高且人力成本高。而且，經常由于無施工作業面而停留等待，導致施工效率不高。此外，建筑工程施工屬于高危險作業，需要消耗大量人力、物力、財力去保證安全施工。
【發明內容】
[0003]本發明所要解決的技術問題在于，提供一種自動化水平高、施工效率高的建筑工程施工設備及施工方法。
[0004]本發明是這樣實現的，提供一種建筑工程施工設備，包括塔吊、控制系統、物料添加系統、物料導管和安裝在所述塔吊上的3D打印機頭；
[0005]所述控制系統用于建立模型并按工程建造要求設置3D打印精度，并利用3D建模軟件將所建立的模型進行分層切割，并根據每層模型信息通過所述塔吊控制所述3D打印機頭的位置；
[0006]所述物料添 加系統根據所述每層模型信息存儲建筑材料，并通過所述物料導管與所述3D打印機頭連通。
[0007]進一步地，所述控制系統為安裝有所述3D建模軟件的計算機。
[0008]進一步地，所述控制系統還用于根據所述每層模型信息轉換所述物料添加系統中的建筑材料。
[0009]進一步地，所述塔吊包括塔架和設置在所述塔架上的吊塔平臂；所述物料導管的一端與所述物料添加系統連通，另一端依次穿過所述塔架和所述吊塔平臂后與所述3D打印機頭連通。
[0010]進一步地，所述3D打印機頭通過纜繩懸掛在所述吊塔平臂下方。
[0011]本發明還提供一種建筑工程施工方法，該方法采用上述的建筑工程施工設備，包括:
[0012]S1:針對需要施工的建筑結構，在所述建筑工程施工設備的控制系統上建立模型，并按工程建造要求設置3D打印精度；利用3D建模軟件將所建立的模型進行分層切割，并根據每層模型信息在所述建筑工程施工設備的物料添加系統中添加相應物料；
[0013]S2:根據所述每層模型信息，所述控制系統控制所述建筑工程施工設備的3D打印機頭在水平面及豎直面內的位置、移動方向、速度以及3D打印物料的輸入，在工地上逐層打印出需要施工的建筑結構。
[0014]進一步地，所述步驟S2包括:所述控制系統根據所述每層模型信息轉換所述物料添加系統中的建筑材料。[0015]進一步地，所述步驟S2包括:根據所述每層模型信息，所述控制系統通過所述建筑工程施工設備的塔吊將所述3D打印機頭移動到需要的位置，并控制物料添加系統通過所述建筑工程施工設備的物料導管向所述3D打印機頭輸送生成模板的物料；當所述物料到達所述3D打印機頭處時，將所述3D打印機頭處的激光溫度調整至高于所述物料的熔點或塑化溫度，使所述物料熔化后并冷凝后而快速成型，從而生成模板。
[0016]進一步地，所述步驟S2包括:根據所述每層模型信息，所述控制系統通過所述建筑工程施工設備的塔吊將所述3D打印機頭移動到需要的位置，并控制所述物料添加系統通過所述建筑工程施工設備的物料導管向所述3D打印機頭輸送纖維鋼筋復合材料；當所述纖維鋼筋復合材料到達所述3D打印機頭處時，所述3D打印機頭根據所述每層模型信息將所述纖維鋼筋復合材料打印，從而完成建筑鋼筋施工。
[0017]進一步地，所述步驟S2包括:根據所述每層模型信息，所述控制系統通過所述建筑工程施工設備的塔吊將所述3D打印機頭移動到需要的位置，并控制所述物料添加系統通過所述建筑工程施工設備的物料導管向所述3D打印機頭輸送混凝土，進而完成混凝土燒筑。
[0018]與現有技術相比，本發明一實施例中的建筑工程施工設備及施工方法通過在控制系統上建立模型、利用3D建模軟件將所建立的模型進行分層切割，并根據每層模型信息在物料添加系統中添加相應物料，而且，控制系統可根據每層模型信息控制3D打印機頭在水平面及豎直面內的位置、移動方向、速度以及3D打印物料的輸入，可在工地上逐層打印出需要施工的建筑結構。因此，本發明一實施例中的建筑工程施工設備及施工方法只需要技術人員管理設備運營、材料準備和現場管理，可省去大部分工人施工現場手動施工作業，從而節約工程施工成本；同時，可提高工程建設信息化、自動化及可視化施工技術水平。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明一實施例中建筑工程施工設備的示意圖。
[0020]圖2為圖1所示建筑工程施工設備用于打印模板時的示意圖。
[0021]圖3為圖1所示建筑工程施工設備用于在圖2所形成的模板上打印纖維鋼筋復合材料時的不意圖。
[0022]圖4為圖1所示建筑工程施工設備用于在圖3所形成的建筑結構中打印模板支撐柱時的不意圖。
[0023]圖5為圖1所示建筑工程施工設備用于澆筑混凝土時的示意圖。
【具體實施方式】
[0024]為了使本發明所要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0025]如圖1所示，是本發明建筑工程施工設備100的一較佳實施例。該建筑工程施工設備100包括塔吊110、控制系統120、物料添加系統130、物料導管140和3D打印機頭150。其中，3D打印機頭150安裝在塔吊110上，并通過物料導管140與物料添加系統130相連；控制系統120可控制塔吊110的運動，從而將3D打印機頭150移動到所需位置，并控制物料從物料添加系統130經過物料導管140輸送到3D打印機頭150，從而3D打印出所需建筑
的結構。
[0026]具體地，塔吊110包括塔架112、吊塔平臂113和機動系統115。塔架112可大致垂直地設置在地面或基礎上。吊塔平臂113大致水平地設置在塔架112頂部，3D打印機頭150設置在吊塔平臂113上。機動系統115設置在塔架112上，可在控制系統120的控制下調整吊塔平臂113在水平面和豎直面內的位置，從而將3D打印機頭150移動到需要的位置。
[0027]控制系統120可以為安裝有3D建模軟件的計算機。3D建模軟件可包括Bender、OpenSCAD、Art of Illusion、FreeCAD、Wings3D、BRL-CADΛ SketchUp、Autodeskl23D、MeshMixer等。其中，Blender是一種免費開源3D模型制作軟件套裝。OpenSCAD是一款基于命令行的3D建模軟件，可以產生CSG文件，特長是制作實心3D模型。Art of Illusion是開源的3D模型和渲染軟件。FreeCAD是來自法國Matra Datavision公司的一款開源免費3D CAD軟件，基于CAD/CAM/CAE幾何模型核心，是一個功能化、參數化的建模工具。Wings3D是一個開源免費的3D建模軟件，適合創建細分曲面模型。BRL-CAD是一款跨平臺開源實體幾何(CSG)構造和實體模型計算機輔助設計(CAD)系統。SketchUp是谷歌Google的一個免費交互式的3D模型程序，不僅適合高級用戶，也適合初學者。Autodeskl23D是歐特克公司的產品，是一個免費3D模型軟件，目前只支持Windows系統。MeshMixer是一個3D模型工具，也是Autodesk公司的產品。針對需要施工的建筑結構，在控制系統120上建模、導入模型或3D掃描導入模型，并按工程建造要求設置3D打印精度后，可利用3D建模軟件將需要打印的模型進行分層切割，并根據每層模型信息通過塔吊110將3D打印機頭150移動到需要的位置，并控制物料添加系統130的物料經過物料導管140輸送到3D打印機頭150，從而逐層打印，即可進行建筑施工。
[0028]此外，控制系統120還可控制打印機頭處激光參數及溫度等等。
[0029]物料添加系統130可用于存放建筑材料，并可在控制系統120控制下將建筑材料經過物料導管140輸送給3D打印機頭150。此外，根據每層模型信息中同一平面的不同結構材料，控制系統120轉換物料添加系統130中的建筑材料，從而將相應的建筑材料經過物料導管140輸送給3D打印機頭150，以打印出相應的結構。
[0030]物料導管140用于將物料添加系統130中的建筑材料輸送到3D打印機頭150。在一實施例中，物料導管140的一端與物料添加系統130連通，另一端依次穿過塔架112和吊塔平臂113后與3D打印機頭150連通。
[0031]3D打印機頭150設置在吊塔平臂113上，并可隨著吊塔平臂113 —起在水平面和豎直面內運動，從而可在控制系統120的控制下移動到需要的位置進行打印操作。在一實施例中，3D打印機頭150可通過纜繩152等懸掛在吊塔平臂113下方。
[0032]上述為本發明一實施例中建筑工程施工設備100的具體結構，下面簡述建筑工程施工設備100的使用方法。
[0033]在一實施例中，利用建筑工程施工設備100進行建筑工程施工的方法包括:
[0034]S1:針對需要施工的建筑結構，在控制系統120上建立模型，并按工程建造要求設置3D打印精度；利用3D建模軟件將所建立的模型進行分層切割，并根據每層模型信息在物料添加系統130中添加相應物料；[0035]S2:根據每層模型信息，控制系統120控制3D打印機頭150在水平面及豎直面內的位置、移動方向、速度以及3D打印物料的輸入，在工地上逐層打印出需要施工的建筑結構，例如圖1中所示的建筑結構200。
[0036]下面以針對建筑工程的模板、模板支撐柱、鋼筋進行3D打印以及混凝土澆筑為例，進一步說明上述方法。其中，同一平面的模板(兩層)、鋼筋模板及支撐柱是同時打印的，層層疊加以實現3D打印，為了便于說明，分別【專利附圖】
【附圖說明】。
[0037]圖2為圖1所示建筑工程施工設備用于打印模板210時的示意圖。如圖2所示，根據每層模型信息，控制系統120可通過塔吊110將3D打印機頭150移動到需要的位置，并控制物料添加系統130通過物料導管140向3D打印機頭150輸送生成模板210的物料如塑料等。當物料如塑料等到達3D打印機頭150處時，可將3D打印機頭150處的激光溫度調整至高于物料如塑料的熔點或塑化溫度，使得物料如塑料等熔化后并冷凝后而快速成型，從而生成圖2中所示的模板210。
[0038]圖3為圖1所不建筑工程施工設備100用于在圖2所形成的模板210上打印纖維鋼筋復合材料220時的示意圖。相似地，根據每層模型信息，控制系統120可通過塔吊110將3D打印機頭150移動到需要的位置，并控制物料添加系統130通過物料導管140向3D打印機頭150輸送纖維鋼筋復合材料220。當纖維鋼筋復合材料220到達3D打印機頭150處時，3D打印機頭150可根據每層模型信息將纖維鋼筋復合材料220打印在制定的位置，從而完成3D打印建筑鋼筋施工。由于纖維鋼筋復合材料220可以滿足建筑結構各方面性能要求，因此，以3D打印的纖維鋼筋復合材料220作為建筑鋼筋可以不用鋼筋接駁，能夠避免傳統建筑鋼筋駁接難題。此外，3D打印的纖維鋼筋復合材料220作為建筑鋼筋具有連續性鋪設、交叉鋼筋每一層都疊在一起、編織成網狀等特點，因此，受力結構具有很好的整體性、剛度強、整體結構穩定。
[0039]圖4為圖1所不建筑工程施工設備100用于在圖3所形成的建筑結構中打印模板支撐柱280時的示意圖。相似地，根據每層模型信息，控制系統120可通過塔吊110將3D打印機頭150移動到需要的位置，并控制物料添加系統130通過物料導管140向3D打印機頭150輸送模板支撐柱280的材料，進而完成模板支撐柱280的3D打印。
[0040]圖5為圖1所示建筑工程施工設備100用于澆筑混凝土 230時的示意圖。相似地，根據每層模型信息，控制系統120可通過塔吊110將3D打印機頭150移動到需要的位置，并控制物料添加系統130通過物料導管140向3D打印機頭150輸送混凝土，進而完成混凝土 230澆筑。
[0041]如上所述，本發明一實施例中的建筑工程施工設備100及施工方法通過在控制系統120上建立模型、利用3D建模軟件將所建立的模型進行分層切割，并根據每層模型信息在物料添加系統130中添加相應物料，而且，控制系統120可根據每層模型信息控制3D打印機頭150在水平面及豎直面內的位置、移動方向、速度以及3D打印物料的輸入，可在工地上逐層打印出需要施工的建筑結構。因此，本發明一實施例中的建筑工程施工設備100及施工方法只需要技術人員管理設備運營、材料準備和現場管理，可省去大部分工人施工現場手動施工作業，從而節約工程施工成本；同時，可提高工程建設信息化、自動化及可視化施工技術水平。此外，建筑工程施工設備100及施工方法能夠在三維空間范圍內精確定位，能夠很大程度上提高工程施工的精度，并可避免構件制作、安裝過程中的誤差以及這些過程中產生的內部應力和變形，使工程建筑實體基本上跟實際圖紙或模型完全一致，實體受力體系很接近模型受力體系，為工程建筑的理想狀態，結構穩定性及安全性更有保障。
[0042]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種建筑工程施工設備，其特征在于，包括塔吊、控制系統、物料添加系統、物料導管和安裝在所述塔吊上的3D打印機頭； 所述控制系統用于建立模型并按工程建造要求設置3D打印精度，并利用3D建模軟件將所建立的模型進行分層切割，并根據每層模型信息通過所述塔吊控制所述3D打印機頭的位置； 所述物料添加系統根據所述每層模型信息存儲建筑材料，并通過所述物料導管與所述3D打印機頭連通。
2.根據權利要求1所述的建筑工程施工設備，其特征在于，所述控制系統為安裝有所述3D建模軟件的計算機。
3.根據權利要求1所述的建筑工程施工設備，其特征在于，所述控制系統還用于根據所述每層模型信息轉換所述物料添加系統中的建筑材料。
4.根據權利要求1所述的建筑工程施工設備，其特征在于，所述塔吊包括塔架和設置在所述塔架上的吊塔平臂；所述物料導管的一端與所述物料添加系統連通，另一端依次穿過所述塔架和所述吊塔平臂后與所述3D打印機頭連通。
5.根據權利要求4所述的建筑工程施工設備，其特征在于，所述3D打印機頭通過纜繩懸掛在所述吊塔平臂下方。
6.一種建筑工程施工方法，該方法采用如權利要求1至5中任何一項所述的建筑工程施工設備，包括: S1:針對需要施工的建筑結構，在所述建筑工程施工設備的控制系統上建立模型，并按工程建造要求設置3D打印精度；利用3D建模軟件將所建立的模型進行分層切割，并根據每層模型信息在所述建筑工程施工設備的物料添加系統中添加相應物料； S2:根據所述每層模型信息，所述控制系統控制所述建筑工程施工設備的3D打印機頭在水平面及豎直面內的位置、移動方向、速度以及3D打印物料的輸入，在工地上逐層打印出需要施工的建筑結構。
7.根據權利要求6所述的建筑工程施工方法，其特征在于，所述步驟S2包括:所述控制系統根據所述每層模型信息轉換所述物料添加系統中的建筑材料。
8.根據權利要求6所述的建筑工程施工方法，其特征在于，所述步驟S2包括:根據所述每層模型信息，所述控制系統通過所述建筑工程施工設備的塔吊將所述3D打印機頭移動到需要的位置，并控制物料添加系統通過所述建筑工程施工設備的物料導管向所述3D打印機頭輸送生成模板的物料；當所述物料到達所述3D打印機頭處時，將所述3D打印機頭處的激光溫度調整至高于所述物料的熔點或塑化溫度，使所述物料熔化后并冷凝后而快速成型，從而生成模板。
9.根據權利要求6所述的建筑工程施工方法，其特征在于，所述步驟S2包括:根據所述每層模型信息，所述控制系統通過所述建筑工程施工設備的塔吊將所述3D打印機頭移動到需要的位置，并控制所述物料添加系統通過所述建筑工程施工設備的物料導管向所述3D打印機頭輸送纖維鋼筋復合材料；當所述纖維鋼筋復合材料到達所述3D打印機頭處時，所述3D打印機頭根據所述每層模型信息將所述纖維鋼筋復合材料打印，從而完成建筑鋼筋施工。
10.根據權利要求6所述的建筑工程施工方法，其特征在于，所述步驟S2包括:根據所述每層模型信息，所述控制系統通過所述建筑工程施工設備的塔吊將所述3D打印機頭移動到需要的位置，并控制所述物料添加系統通過所述建筑工程施工設備的物料導管向所述3D打印機頭輸送混凝土，進而完成 混凝土澆筑。
【文檔編號】E04G21/00GK103790378SQ201410007663
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月8日 優先權日:2014年1月8日
【發明者】馬義俊, 廖選茂, 李春田, 陳振明, 范彩霞, 廖彪, 溫小勇, 孔維拯 申請人:中建鋼構有限公司