基于三維激光掃描和3D打印的建筑重建系統與方法與流程

本發明涉及建筑施工技術領域，特別涉及一種基于三維激光掃描和3D打印的建筑重建系統與方法。

背景技術：

我國相繼出臺一系列包括《國家高技術研究發展計劃(863計劃)》、《國家增材制造產業發展推進計劃(2015-2016年)》和《中國制造2025》等綱領性文件，均將3D打印技術作為優先發展的國家戰略。目前，建筑行業的自動化水平與其他行業相比尚顯落后，其發展迫切需要轉型升級。3D打印建筑具有自動化程度高、一次成型、建筑耗材和工藝損耗少等特點。針對當前建筑行業施工粗放的現狀，有必要結合3D打印與建筑施工技術，實現建筑快速、高效的自動化建造。

古建筑重建是建筑施工領域，其包括既有損壞古建筑測繪和重建施工工作。傳統的單點測量方法所測繪的結果難以真實反映既有古建筑情況。近年來，發展出現一項利用激光雷達探測和測距技術的全新技術手段，即3D激光掃描技術。采用該技術可大面積、高精度、非接觸地快速獲取被測對象表面的三維坐標點云數據。針對古建筑重建的特點，有必要提出一種結合三維激光掃描、3D打印等技術的實體建筑重建系統與方法。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種基于三維激光掃描和3D打印的建筑重建系統與方法，能夠解決采用傳統監測手段僅能獲取單點數據且可靠性低而不能滿足建筑重建測繪要求大范圍、快速精確測量等技術難題，解決傳統建筑重建施工效率及自動化程度低等問題，以及解決傳統打印裝置在水平面范圍不能移動擴展等問題。

為解決上述問題，本發明提供一種基于三維激光掃描和3D打印的建筑重建系統，包括：

包括三維激光掃描測量子系統1、數據處理及3D建模子系統2、3D模型分析及修正子系統3、3D打印實體建筑子系統4，其中，

設置于建筑附近的三維激光掃描測量子系統1，用于掃描獲取建筑的內外表面的三維點云數據；

與所述三維激光掃描測量子系統1通信的數據處理及3D建模子系統2，用于對所述三維點云數據進行處理，并根據處理后的數據建立所述建筑的3D數字模型；

與所述數據處理及3D建模子系統2通信的3D模型分析及修正子系統3，用于對所述3D數字模型進行合理性分析，并根據所述合理性分析對所述3D數字模型進行修正；

與所述3D模型分析及修正子系統3通信的3D打印實體建筑子系統4，用于根據修正后的3D數字模型進行所述建筑的實體3D打印，實現所述建筑的重建。

進一步的，上述系統中，所述三維激光掃描測量子系統包括標靶集11、升降平臺12、全站儀13、三維激光掃描儀14和計算機15，其中，

標靶集11，包括設置于所述建筑10的內外表面的各個位置的標靶，用于掃描測量的參考點，輔助測量，輔助建筑的內外表面的三維點云數據配準及坐標轉化；

升降平臺12，用于承載所述三維激光掃描儀14，并調節升降平臺高度和位置以方便所述三維激光掃描儀14的測量；

全站儀13，用于控制站點的坐標測量與布設、標靶集11的測量以形成控制網16，所述控制站點為進行掃描時三維激光掃描儀各個所處的位置，所述控制網，用于提供閉合的控制站點以形成掃描路徑17，輔助所述三維激光掃描儀14的掃描測量；

三維激光掃描儀14，用于掃描建筑10的內外表面的三維點云數據及標靶集11；

分別與所述三維激光掃描儀14和全站儀13連接的計算機15，用于根據所述控制網16并利用掃描軟件控制三維激光掃描儀14對建筑10的內外表面的三維點云數據和標靶集11進行掃描測量。

進一步的，上述系統中，所述數據處理及3D建模子系統2包括3D掃描數據后處理軟件21、3D外表面模型重建程序22、3D內表面模型重建程序23、3D建筑模型重建程序24，其中，

3D掃描數據后處理軟件21，用于對所述建筑的內外表面的三維點云數據的處理，包括去燥、修補、優化、根據所述標靶集對三維點云數據配準及坐標轉化，得到全局坐標建筑內外表面點云數據；

3D外表面模型重建程序22，用于根據全局坐標建筑外表面點云數據建立外表面的3D數字模型；

3D內表面模型重建程序23，用于全局坐標建筑內表面點云數據建立內表面的3D數字模型；

3D建筑模型重建程序24，用于根據所述內、外表面的3D數字模型進行坐標匹配，建立具有厚度的3D數字模型。

進一步的，上述系統中，所述3D模型分析及修正子系統3包括基于FEM的建筑結構力學分析程序31、3D模型與3D打印數字模型轉化程序32、基于3D打印的縮尺模型修正工具33，其中，

基于FEM的建筑結構力學分析程序31，用于所述具有厚度的3D數字模型進行計算分析，判斷所述具有厚度的3D數字模型的力學結構的合理性，若力學結構不合理對所述具有厚度的3D數字模型進行修正；

3D模型與3D打印數字模型轉化程序32，將所述具有厚度的3D數字模型或經過修正后的所述具有厚度的3D數字模型，轉化為適合3D打印的數字模型；

基于3D打印的縮尺模型修正工具33，用于根據所述適合3D打印的數字模型，并采用3D打印技術預打印縮尺建筑模型預打印縮尺建筑模型，并根據預打印縮尺建筑模型判斷所述適合3D打印的數字模型的合理性，并對不合理的所述適合3D打印的數字模型的局部模型進行修正處理。

進一步的，上述系統中，所述3D打印實體建筑子系統4包括模塊化三軸驅動導向自適應擴展裝置100以及與其連接的實體建筑3D打印裝置200，其中，

所述模塊化三軸驅動導向自適應擴展裝置100，包括：

可擴展的模塊化地面導軌110；

設置于所述模塊化地面導軌110上的XY方向驅動車輪120；

設置于所述XY方向驅動車輪120上的X、Y、Z方向模塊化穩定導軌130，每個X、Y、Z方向模塊化穩定導軌130的兩端對應設置有X、Y、Z方向穩定導軌擴展連接件160；

設置于所述Z方向模塊化穩定導軌130的下部的轉動頂升驅動140，所述轉動頂升驅動140與所述XY方向驅動車輪120連接；

設置于所述Z方向模塊化穩定導軌130的上部的Z方向頂升制動驅動150，X、Y方向模塊化穩定導軌130上對應設置有X、Y方向驅動制動170；

所述實體建筑3D打印裝置200，包括：

設置于所述Y方向模塊化穩定導軌130上的打印頭導軌橫梁210；

設置于所述打印頭導軌橫梁210上的Y方向打印頭導軌驅動220和打印頭橫梁制動230，打印頭導軌橫梁210一端與建筑材料300輸送管連接，另一端設置所述打印頭導軌橫梁擴展連接件240；

設置于所述打印頭導軌橫梁210上的豎向打印頭250和X方向打印頭驅動制動260，所述X方向打印頭驅動制動260與所述豎向打印頭250連接。

進一步的，在上述裝置中，所述模塊化地面導軌110包括：4條兩兩平行與地面接觸的模塊化地面導軌110，其中兩條為X方向地面導軌111，另外兩條為Y方向地面導軌112，所述X、Y方向地面導軌111、112兩端對應設置可實現擴展地面導軌長度X、Y方向的地面導軌擴展連接件113、114。

進一步的，在上述系統中，所述XY方向驅動車輪120包括與其中兩條平行軌道X方向或Y方向地面導軌111、112接觸的4個XY方向驅動車輪120。

進一步的，在上述系統中，所述X、Y、Z方向模塊化穩定導軌130包括4根垂直于地面的Z方向模塊化穩定導軌133、連接于所述4根Z方向模塊化穩定導軌133的上部的2根上層X方向穩定導軌131和2根上層Y方向穩定導軌132，連接于所述4根Z方向模塊化穩定導軌133的下部的2根下層X方向穩定導軌131和2根下層Y方向穩定導軌132，2根上層X方向穩定導軌131和2根上層Y方向穩定導軌132連接構成上層矩形，2根下層X方向穩定導軌131和2根下層Y方向穩定導軌132連接構成下層矩形，其中，

每根Z方向穩定導軌133的一端分別通過所述轉動頂升驅動140與4個XY驅動車輪120固結，每根Z方向穩定導軌133另一端各連接有2個Z方向頂升制動驅動150，每根上層X方向穩定導軌131和上層Y方向穩定導軌132設置于所述2個Z方向頂升制動驅動150之間；

每根Z方向穩定導軌頂部150均設置有可實現擴展Z方向穩定導軌133長度的Z方向穩定導軌擴展連接件163；

每根X方向穩定導軌131的每端設置有2個X方向驅動制動171和可實現擴展X方向穩定導軌131長度的X方向穩定導軌擴展連接件161；

每根Y方向穩定導軌132的每端設置有2個Y方向驅動制動172和可實現擴展Y方向穩定導軌132長度的Y方向穩定導軌擴展連接件162。

進一步的，在上述系統中，所述打印頭導軌橫梁210設置于所述平行的2根上層Y方向穩定導軌132上；

所述Y方向打印頭導軌驅動220和打印頭橫梁制動230的數量分別為2個，Y方向打印頭導軌驅動220和打印頭橫梁制動230分別設置于所述打印頭導軌橫梁210與2根上層Y方向穩定導軌132的連接端；

所述豎向打印頭250設置于2個打印頭橫梁制動230之間的打印頭導軌橫梁210上，所述豎向打印頭250通過所述X方向打印頭驅動制動260設置于打印頭導軌橫梁210上。

根據本發明的另一面，提供一種上述基于三維激光掃描和3D打印的建筑重建的重建方法，包括：

掃描獲取建筑的內外表面的三維點云數據；

對所述三維點云數據進行處理，并根據處理后的數據建立所述建筑的3D數字模型；

對所述3D數字模型進行合理性分析，并根據所述合理性分析對所述3D數字模型進行修正；

根據修正后的3D數字模型進行所述建筑的實體3D打印，實現所述建筑的重建。

進一步的，上述方法中，掃描獲取建筑的內外表面的三維點云數據的步驟，包括：

根據被測建筑的現場情況確定三維激光掃描儀的內外表面的控制站點數量，通常大于4個；

根據所述控制站點數量在所述建筑周圍布設所述控制站點并編號，確保每個控制站點與相鄰控制站點保持通視；

根據被測建筑的情況確定內外表面的標靶集中標靶的數量，每個控制站點的掃描范圍內至少3個標靶，根據所述標靶的數量在建筑的內外表面布設標靶集并編號；

調節升降平臺的豎向位置，使被測建筑在三維激光掃描儀的掃描范圍內；

采用全站儀對所述標靶集和控制站點進行測量，布設高精度的控制網，提供閉合的控制站點；

調節升降平臺水平位置，使得水平方向升降平臺的定位點與所述控制站點的中心重合；

根據所述控制網并采用三維激光掃描儀分另對被測建筑的內表面和外表面及對應的標靶集進行掃描作業，獲取建筑的內外表面的三維點云數據及標靶集。

進一步的，上述方法中，對所述三維點云數據進行處理，并根據處理后的數據建立所述建筑的3D數字模型的步驟，包括：

對所述建筑的內外表面的三維點云數據的處理，包括去燥、修補、優化、根據所述標靶集對三維點云數據配準及坐標轉化，得到全局坐標建筑內外表面點云數據；

分別采用3D內表面模型重建程序和3D外表面模型重建程序，并根據所述全局坐標建筑內外表面點云數據建立所述建筑的內、外表面的3D數字模型；

根據所述內、外表面的3D數字模型進行坐標匹配，建立具有厚度的3D數字模型。

進一步的，上述方法中，對所述3D數字模型進行合理性分析，并根據所述合理性分析對所述3D數字模型進行修正的步驟，包括

基于FEM的建筑結構力學分析程序，用于所述具有厚度的3D數字模型進行計算分析，判斷所述具有厚度的3D數字模型的力學結構的合理性，若力學結構不合理對所述具有厚度的3D數字模型進行修正；

采用3D模型與3D打印數字模型轉化程序將所述具有厚度的3D數字模型或經過修正后的所述具有厚度的3D數字模型，轉化為適合3D打印的數字模型；

根據所述適合3D打印的數字模型，并采用3D打印技術預打印縮尺建筑模型預打印縮尺建筑模型，并根據預打印縮尺建筑模型判斷所述適合3D打印的數字模型的合理性，并對不合理的所述適合3D打印的數字模型的局部模型進行修正處理。

進一步的，上述方法中，根據修正后的3D數字模型進行所述建筑的實體3D打印，實現所述建筑的重建的步驟，包括：

根據修正后的3D數字模型，通過動力控制系統(圖中未畫出)向實體建筑3D打印裝置200發送控制指令，通過Y方向打印頭導軌驅動220和打印頭橫梁制動230控制豎向打印頭導軌橫梁210實現Y方向的移動，通過X方向打印頭驅動制動260控制豎向打印頭250實現X方向的移動，通過控制豎向打印頭250在XY平面內噴射建筑材料300實現建(構)筑物各建筑截面層打印施工，并通過動力控制系統(圖中未畫出)向模塊化三軸驅動導向自適應擴展裝置100發送控制指令，通過啟動Z方向頂升制動驅動150，向上頂升豎向打印頭250至建(構)筑物上一建筑截面層后制動，繼續打印施工，如此循環逐步向上頂升打印，實現建(構)筑物自下向上逐層沿Z方向打印。

進一步的，在上述方法中，所述方法還包括：

若已打印施工建(構)筑物400的高度超過Z方向打印范圍，與Z方向穩定導軌133高度相同時，通過動力控制系統(圖中未畫出)向模塊化三軸驅動導向自適應擴展裝置100發送控制指令，通過Z方向穩定導軌擴展連接件163加長Z方向穩定導軌133，啟動Z方向頂升制動驅動150，向上頂升豎向打印頭250至超過已打印施工建(構)筑物一定高度后制動，繼續打印施工，如此循環逐步向上頂升打印，實現打印裝置整體向上頂升并逐層打印。

進一步的，在上述方法中，所述方法還包括：

若建(構)筑物500超過Y方向的打印范圍，通過動力控制系統(圖中未畫出)向模塊化三軸驅動導向自適應擴展裝置100發送控制指令，通過控制轉動頂升驅動140實現驅動車輪120轉向，通過XY方向驅動車輪120沿著Y方向地面導軌112行駛，同時調節Y方向制動172擴展Y方向打印范圍，待超出Y方向穩定導軌132長度時，通過Y方向地面導軌擴展連接件114加長Y方向地面導軌112，并通過Y方向穩定導軌擴展連接件162加長下層Y方向穩定導軌132和上層Y方向穩定導軌132，調節XY方向驅動車輪120沿著Y方向地面導軌112行駛，同時調節Y方向驅動制動172實現Y方向打印區域進一步擴大。

進一步的，在上述方法中，所述方法還包括：

若建(構)筑物600超過X方向打印裝置范圍，通過動力控制系統(圖中未畫出)向模塊化三軸驅動導向自適應擴展裝置100發送控制指令，通過控制轉動頂升驅動140實現驅動車輪120轉向，通過XY方向驅動車輪120沿著X方向地面導軌111行駛，同時調節X方向驅動制動171擴展X方向打印范圍，待超出X方向穩定導軌131的長度時，通過X方向地面導軌擴展連接件113加長X方向地面導軌111，并通過X方向穩定導軌擴展連接件161分別加長下層X方向穩定導軌131和上層X方向穩定導軌131，調節XY方向驅動車輪120沿著加長后的X方向穩定導軌131行駛，同時調節X方向驅動制動171實現X方向打印區域進一步擴大。如此可逐層自適應擴展打印裝置在XY平面的打印范圍以實現大范圍大量實體建(構)筑物的打印施工。

與現有技術相比，本發明通過三維激光掃描測量子系統、數據處理及3D建模子系統、3D模型分析及修正子系統、3D打印實體建筑子系統，解決采用傳統監測手段僅能獲取單點數據且可靠性低而不能滿足建筑重建測繪要求大范圍、快速精確測量等技術難題，建筑重建測繪中傳統單點式監測方法存在監測范圍小、信息化較低，解決傳統建筑重建施工效率及自動化程度低等問題，以及解決傳統打印裝置在水平面范圍不能移動擴展等問題，可大面積、高精度、非接觸地快速獲取建筑點云數據，可實現建筑快速、高效的自動化建造。

附圖說明

圖1是本發明一實施例的基于三維激光掃描和3D打印的建筑重建系統原理圖；

圖2是本發明一實施例的基于三維激光掃描和3D打印的建筑重建系統方法流程圖；

圖3是本發明一實施例的三維激光掃描測量子系統示意圖；

圖4是本發明一實施例的模塊化三軸自適應的移動式3D打印裝置的結構圖；

圖5是本發明一實施例的建筑400打印施工及Z方向打印范圍擴展示意圖；

圖6是本發明一實施例的Z方向打印范圍擴展后建筑400繼續打印施工示意圖；

圖7是本發明一實施例的建筑500打印施工及Y方向打印范圍擴展示意圖；

圖8是本發明一實施例的Y方向打印范圍擴展后建筑600打印施工示意圖；

圖9是本發明一實施例的建筑600X方向打印范圍擴展示意圖；

圖10是本發明一實施例的X方向打印范圍擴展后建筑600繼續打印施工示意圖；

1-三維激光掃描測量子系統，2-數據處理及3D建模子系統，3-3D模型分析及修正子系統，4-3D打印實體建筑子系統；

10-建筑，11-標靶集，12-升降平臺，13-全站儀，14-三維激光掃描儀，15-計算機，16-控制網，17-掃描路徑；

100-模塊化三軸驅動導向自適應擴展裝置：

110-模塊化地面導軌，111-X方向地面導軌，112-Y方向地面導軌，113-X方向地面導軌擴展連接件，114-Y方向地面導軌擴展連接件；120-XY方向驅動車輪，130-XYZ方向模塊化穩定導軌，131-X方向穩定導軌，132-Y方向穩定導軌，133-Z方向穩定導軌；140-轉動頂升驅動；150-Z方向頂升制動驅動；160-XYZ方向穩定導軌擴展連接件，161-X方向穩定導軌擴展連接件，162-Y方向穩定導軌擴展連接件，163-Z方向穩定導軌擴展連接件；170-XY方向驅動制動，171-X方向驅動制動，172-Y方向驅動制動；

200-實體建筑3D打印裝置：

210-打印頭導軌橫梁；220-Y方向打印頭導軌驅動；230-打印頭橫梁制動；240-打印頭導軌橫梁擴展連接件；250-打印頭；260-X方向打印頭驅動制動；

300-建筑材料。

具體實施方式

為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

如圖1和3所示，本發明提供一種基于三維激光掃描和3D打印的建筑重建系統，包括三維激光掃描測量子系統1、數據處理及3D建模子系統2、3D模型分析及修正子系統3、3D打印實體建筑子系統4，其中，

設置于建筑附近的三維激光掃描測量子系統1，用于掃描獲取建筑的內外表面的三維點云數據；

與所述三維激光掃描測量子系統1通信的數據處理及3D建模子系統2，用于對所述三維點云數據進行處理，并根據處理后的數據建立所述建筑的3D數字模型；

與所述數據處理及3D建模子系統2通信的3D模型分析及修正子系統3，用于對所述3D數字模型進行合理性分析，并根據所述合理性分析對所述3D數字模型進行修正；

與所述3D模型分析及修正子系統3通信的3D打印實體建筑子系統4，用于根據修正后的3D數字模型進行所述建筑的實體3D打印，實現所述建筑的重建。

優選的，如圖2所示，所述三維激光掃描測量子系統包括標靶集11、升降平臺12、全站儀13、三維激光掃描儀14和計算機15，其中，

標靶集11，包括設置于所述建筑10的內外表面的各個位置的標靶，用于掃描測量的參考點，輔助測量，輔助建筑的內外表面的三維點云數據配準及坐標轉化；

升降平臺12，用于承載所述三維激光掃描儀14，并調節升降平臺高度和位置以方便所述三維激光掃描儀14的測量；

全站儀13，用于控制站點的坐標測量與布設、標靶集11的測量以形成控制網16，所述控制站點為進行掃描時三維激光掃描儀各個所處的位置，所述控制網，用于提供閉合的控制站點以形成掃描路徑17，輔助所述三維激光掃描儀14的掃描測量；

三維激光掃描儀14，用于掃描建筑10的內外表面的三維點云數據及標靶集11；

分別與所述三維激光掃描儀14和全站儀13連接的計算機15，用于根據所述控制網16并利用掃描軟件控制三維激光掃描儀14對建筑10的內外表面的三維點云數據和標靶集11進行掃描測量。

優選的，如圖1和3所示，所述數據處理及3D建模子系統2包括3D掃描數據后處理軟件21、3D外表面模型重建程序22、3D內表面模型重建程序23、3D建筑模型重建程序24，其中，

3D掃描數據后處理軟件21，用于對所述建筑的內外表面的三維點云數據的處理，包括去燥、修補、優化、根據所述標靶集對三維點云數據配準及坐標轉化，得到全局坐標建筑內外表面點云數據；

3D外表面模型重建程序22，用于根據全局坐標建筑外表面點云數據建立外表面的3D數字模型；

3D內表面模型重建程序23，用于全局坐標建筑內表面點云數據建立內表面的3D數字模型；

3D建筑模型重建程序24，用于根據所述內、外表面的3D數字模型進行坐標匹配，建立具有厚度的3D數字模型。

優選的，如圖1和3所示，所述3D模型分析及修正子系統3包括基于FEM的建筑結構力學分析程序31、3D模型與3D打印數字模型轉化程序32、基于3D打印的縮尺模型修正工具33，其中，

基于FEM的建筑結構力學分析程序31，用于所述具有厚度的3D數字模型進行計算分析，判斷所述具有厚度的3D數字模型的力學結構的合理性，若力學結構不合理對所述具有厚度的3D數字模型進行修正；

3D模型與3D打印數字模型轉化程序32，將所述具有厚度的3D數字模型或經過修正后的所述具有厚度的3D數字模型，轉化為適合3D打印的數字模型；

基于3D打印的縮尺模型修正工具33，用于根據所述適合3D打印的數字模型，并采用3D打印技術預打印縮尺建筑模型預打印縮尺建筑模型，并根據預打印縮尺建筑模型判斷所述適合3D打印的數字模型的合理性，并對不合理的所述適合3D打印的數字模型的局部模型進行修正處理。

優選的，如圖4所示，所述3D打印實體建筑子系統4包括模塊化三軸驅動導向自適應擴展裝置100以及與其連接的實體建筑3D打印裝置200，其中，

所述模塊化三軸驅動導向自適應擴展裝置100，包括：

可擴展的模塊化地面導軌110；

設置于所述模塊化地面導軌110上的XY方向驅動車輪120；

設置于所述XY方向驅動車輪120上的X、Y、Z方向模塊化穩定導軌130，每個X、Y、Z方向模塊化穩定導軌130的兩端對應設置有X、Y、Z方向穩定導軌擴展連接件160；

設置于所述Z方向模塊化穩定導軌130的下部的轉動頂升驅動140，所述轉動頂升驅動140與所述XY方向驅動車輪120連接；

設置于所述Z方向模塊化穩定導軌130的上部的Z方向頂升制動驅動150，X、Y方向模塊化穩定導軌130上對應設置有X、Y方向驅動制動170；

所述實體建筑3D打印裝置200，包括：

設置于所述Y方向模塊化穩定導軌130上的打印頭導軌橫梁210；

設置于所述打印頭導軌橫梁210上的Y方向打印頭導軌驅動220和打印頭橫梁制動230，打印頭導軌橫梁210一端與建筑材料300輸送管連接，另一端設置所述打印頭導軌橫梁擴展連接件240；

設置于所述打印頭導軌橫梁210上的豎向打印頭250和X方向打印頭驅動制動260，所述X方向打印頭驅動制動260與所述豎向打印頭250連接。

優選的，如圖4所示，所述模塊化地面導軌110包括：4條兩兩平行與地面接觸的模塊化地面導軌110，其中兩條為X方向地面導軌111，另外兩條為Y方向地面導軌112，所述X、Y方向地面導軌111、112兩端對應設置可實現擴展地面導軌長度X、Y方向的地面導軌擴展連接件113、114。

優選的，如圖4所示，所述XY方向驅動車輪120包括與其中兩條平行軌道X方向或Y方向地面導軌111、112接觸的4個XY方向驅動車輪120。

優選的，如圖4所示，所述X、Y、Z方向模塊化穩定導軌130包括4根垂直于地面的Z方向模塊化穩定導軌133、連接于所述4根Z方向模塊化穩定導軌133的上部的2根上層X方向穩定導軌131和2根上層Y方向穩定導軌132，連接于所述4根Z方向模塊化穩定導軌133的下部的2根下層X方向穩定導軌131和2根下層Y方向穩定導軌132，2根上層X方向穩定導軌131和2根上層Y方向穩定導軌132連接構成上層矩形，2根下層X方向穩定導軌131和2根下層Y方向穩定導軌132連接構成下層矩形，其中，

每根Z方向穩定導軌133的一端分別通過所述轉動頂升驅動140與4個XY驅動車輪120固結，每根Z方向穩定導軌133另一端各連接有2個Z方向頂升制動驅動150，每根上層X方向穩定導軌131和上層Y方向穩定導軌132設置于所述2個Z方向頂升制動驅動150之間；

每根Z方向穩定導軌頂部150均設置有可實現擴展Z方向穩定導軌133長度的Z方向穩定導軌擴展連接件163；

每根X方向穩定導軌131的每端設置有2個X方向驅動制動171和可實現擴展X方向穩定導軌131長度的X方向穩定導軌擴展連接件161；

每根Y方向穩定導軌132的每端設置有2個Y方向驅動制動172和可實現擴展Y方向穩定導軌132長度的Y方向穩定導軌擴展連接件162。

優選的，如圖4所示，所述打印頭導軌橫梁210設置于所述平行的2根上層Y方向穩定導軌132上；

所述Y方向打印頭導軌驅動220和打印頭橫梁制動230的數量分別為2個，Y方向打印頭導軌驅動220和打印頭橫梁制動230分別設置于所述打印頭導軌橫梁210與2根上層Y方向穩定導軌132的連接端；

所述豎向打印頭250設置于2個打印頭橫梁制動230之間的打印頭導軌橫梁210上，所述豎向打印頭250通過所述X方向打印頭驅動制動260設置于打印頭導軌橫梁210上。

如圖1和3所示，根據本發明的另一面，還提供一種采用上述三維激光掃描和3D打印的實體建筑重建系統的重建方法，所述方法包括：

掃描獲取建筑的內外表面的三維點云數據；

對所述三維點云數據進行處理，并根據處理后的數據建立所述建筑的3D數字模型；

對所述3D數字模型進行合理性分析，并根據所述合理性分析對所述3D數字模型進行修正；

根據修正后的3D數字模型進行所述建筑的實體3D打印，實現所述建筑的重建。

優選的，如圖2所示，掃描獲取建筑的內外表面的三維點云數據的步驟，包括：

根據被測建筑的現場情況確定三維激光掃描儀的內外表面的控制站點數量，通常大于4個；

根據所述控制站點數量在所述建筑周圍布設所述控制站點并編號，確保每個控制站點與相鄰控制站點保持通視；

根據被測建筑的情況確定內外表面的標靶集中標靶的數量，每個控制站點的掃描范圍內至少3個標靶，根據所述標靶的數量在建筑的內外表面布設標靶集并編號；

調節升降平臺的豎向位置，使被測建筑在三維激光掃描儀的掃描范圍內；

采用全站儀對所述標靶集和控制站點進行測量，布設高精度的控制網，提供閉合的控制站點；

調節升降平臺水平位置，使得水平方向升降平臺的定位點與所述控制站點的中心重合；

根據所述控制網并采用三維激光掃描儀分另對被測建筑的內表面和外表面及對應的標靶集進行掃描作業，獲取建筑的內外表面的三維點云數據及標靶集。

優選的，對所述三維點云數據進行處理，并根據處理后的數據建立所述建筑的3D數字模型的步驟，包括：

對所述建筑的內外表面的三維點云數據的處理，包括去燥、修補、優化、根據所述標靶集對三維點云數據配準及坐標轉化，得到全局坐標建筑內外表面點云數據；

分別采用3D內表面模型重建程序和3D外表面模型重建程序，并根據所述全局坐標建筑內外表面點云數據建立所述建筑的內、外表面的3D數字模型；

根據所述內、外表面的3D數字模型進行坐標匹配，建立具有厚度的3D數字模型。

優選的，對所述3D數字模型進行合理性分析，并根據所述合理性分析對所述3D數字模型進行修正的步驟，包括

基于FEM的建筑結構力學分析程序，用于所述具有厚度的3D數字模型進行計算分析，判斷所述具有厚度的3D數字模型的力學結構的合理性，若力學結構不合理對所述具有厚度的3D數字模型進行修正；

采用3D模型與3D打印數字模型轉化程序將所述具有厚度的3D數字模型或經過修正后的所述具有厚度的3D數字模型，轉化為適合3D打印的數字模型；

根據所述適合3D打印的數字模型，并采用3D打印技術預打印縮尺建筑模型預打印縮尺建筑模型，并根據預打印縮尺建筑模型判斷所述適合3D打印的數字模型的合理性，并對不合理的所述適合3D打印的數字模型的局部模型進行修正處理。

優選的，如圖4所示，根據修正后的3D數字模型進行所述建筑的實體3D打印，實現所述建筑的重建的步驟，包括：

根據修正后的3D數字模型，通過動力控制系統(圖中未畫出)向實體建筑3D打印裝置200發送控制指令，通過Y方向打印頭導軌驅動220和打印頭橫梁制動230控制豎向打印頭導軌橫梁210實現Y方向的移動，通過X方向打印頭驅動制動260控制豎向打印頭250實現X方向的移動，通過控制豎向打印頭250在XY平面內噴射建筑材料300實現建(構)筑物各建筑截面層打印施工，并通過動力控制系統(圖中未畫出)向模塊化三軸驅動導向自適應擴展裝置100發送控制指令，通過啟動Z方向頂升制動驅動150，向上頂升豎向打印頭250至建(構)筑物上一建筑截面層后制動，繼續打印施工，如此循環逐步向上頂升打印，實現建(構)筑物自下向上逐層沿Z方向打印。

優選的，如圖5和6所示，優選的，根據修正后的3D數字模型進行所述建筑的實體3D打印，實現所述建筑的重建的步驟，還包括：

若已打印施工建(構)筑物400的高度超過Z方向打印范圍，與Z方向穩定導軌133高度相同時，通過動力控制系統(圖中未畫出)向模塊化三軸驅動導向自適應擴展裝置100發送控制指令，通過Z方向穩定導軌擴展連接件163加長Z方向穩定導軌133，啟動Z方向頂升制動驅動150，向上頂升豎向打印頭250至超過已打印施工建(構)筑物一定高度后制動，繼續打印施工，如此循環逐步向上頂升打印，實現打印裝置整體向上頂升并逐層打印。

如圖7和8所示，優選的，根據修正后的3D數字模型進行所述建筑的實體3D打印，實現所述建筑的重建的步驟，還包括：

若建(構)筑物500超過Y方向的打印范圍，通過動力控制系統(圖中未畫出)向模塊化三軸驅動導向自適應擴展裝置100發送控制指令，通過控制轉動頂升驅動140實現驅動車輪120轉向，通過XY方向驅動車輪120沿著Y方向地面導軌112行駛，同時調節Y方向制動172擴展Y方向打印范圍，待超出Y方向穩定導軌132長度時，通過Y方向地面導軌擴展連接件114加長Y方向地面導軌112，并通過Y方向穩定導軌擴展連接件162加長下層Y方向穩定導軌132和上層Y方向穩定導軌132，調節XY方向驅動車輪120沿著Y方向地面導軌112行駛，同時調節Y方向驅動制動172實現Y方向打印區域進一步擴大。如此可逐層自適應擴展打印裝置在XY平面的打印范圍以實現大范圍大量實體建(構)筑物的打印施工。

如圖9和10所示，優選的，優選的，根據修正后的3D數字模型進行所述建筑的實體3D打印，實現所述建筑的重建的步驟，還包括：

若建(構)筑物600超過X方向打印裝置范圍，通過動力控制系統(圖中未畫出)向模塊化三軸驅動導向自適應擴展裝置100發送控制指令，通過控制轉動頂升驅動140實現驅動車輪120轉向，通過XY方向驅動車輪120沿著X方向地面導軌111行駛，同時調節X方向驅動制動171擴展X方向打印范圍，待超出X方向穩定導軌131的長度時，通過X方向地面導軌擴展連接件113加長X方向地面導軌111，并通過X方向穩定導軌擴展連接件161分別加長下層X方向穩定導軌131和上層X方向穩定導軌131，調節XY方向驅動車輪120沿著加長后的X方向穩定導軌131行駛，同時調節X方向驅動制動171實現X方向打印區域進一步擴大。如此可逐層自適應擴展打印裝置在XY平面的打印范圍以實現大范圍大量實體建(構)筑物的打印施工。

需要說明的是，模塊化三軸驅動導向自適應擴展裝置100以及實體建筑3D打印裝置200均與動力控制系統(圖中未畫出)通信連接，且動力控制系統均可向XY方向驅動車輪120、轉動頂升驅動140、Z方向頂升制動驅動150、X方向驅動制動171、Y方向驅動制動172、Y方向打印頭導軌驅動220、X方向打印頭驅動制動260發送控制指令，因動力控制系統不在本發明的保護范圍內，故對其結構及連接關系不作具體闡述。

本發明的主要優勢在于解決采用傳統監測手段僅能獲取單點數據且可靠性低而不能滿足建筑重建測繪要求大范圍、快速精確測量等技術難題，建筑重建測繪中傳統單點式監測方法存在監測范圍小、信息化較低，解決傳統建筑重建施工效率及自動化程度低等問題，以及解決傳統打印裝置在水平面范圍不能移動擴展等問題，可大面積、高精度、非接觸地快速獲取建筑點云數據，可實現建筑快速、高效的自動化建造。

一具體應用實施例中，某歷史保護古建筑老化嚴重，需進行重建，擬采用所開發的系統，進行古建筑測繪和重建施工。三維激光掃描測量子系統示意圖見附圖2，掃描儀采用Z+F IMAGER 5010C掃描儀，升降平臺如圖2所示；計算機采用內存為8G，CPU為4核CPU PC；全站儀采用Leica-TM30全站儀；控制站點編號為L1～Li，其中i＝6，控制網掃描路徑為逆時針；標靶集為多個自制打印標靶組成，標靶編號為B1～Bk，其中k＝90。數據處理及3D建模子系統中3D掃描數據后處理軟件為Z+F IMAGER 5010C掃描儀附屬數據處理軟件；3D外表面模型重建程序、3D內表面模型重建程序、3D建筑模型重建程序采用Fortran語言編寫。3D模型分析及修正子系統中基于FEM的建筑結構力學分析程序和3D模型與3D打印數字模型轉化程序采用Fortran語言編寫；基于3D打印的縮尺模型修正工具中打印機采用3D Systems CubePro Duo 3D打印機。3D打印實體建筑子系統如附圖4所示，包括XYZ三向驅動導向自適應裝置以及與驅動導向構件連接的實體建筑3D打印裝置，可逐層自適應擴展打印施工實體建筑。

另一具體應用實施例中，某城市綜合體施工，擬采用所開發的系統。其打印建造流程如述方法，如此循環逐層向上頂升打印，逐步自適應擴展打印裝置在XY平面的打印范圍，實現打印范圍的三軸自適應擴展，完成大范圍大量異形復雜實體建(構)筑物的打印施工。Z方向打印范圍擴展如圖5和圖6所示；Y方向打印范圍擴展如圖7和圖8所示；X方向打印范圍擴展如圖9和圖10所示。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

顯然，本領域的技術人員可以對發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包括這些改動和變型在內。