建筑工程施工设备及施工方法
【专利摘要】本发明公开一种建筑工程施工设备，包括塔吊、控制系统、物料添加系统、物料导管和安装在塔吊上的3D打印机头；控制系统用于建立模型并按工程建造要求设置3D打印精度，并利用3D建模软件将所建立的模型进行分层切割，并根据每层模型信息通过塔吊控制3D打印机头的位置；物料添加系统根据每层模型信息存储建筑材料，并通过物料导管与3D打印机头连通。本发明还公开一种建筑工程施工方法。采用本发明的建筑工程施工设备及施工方法，只需要技术人员管理设备运营、材料准备和现场管理，省去大部分工人施工现场手动施工作业，从而节约工程施工成本；可提高工程建设信息化、自动化及可视化施工技术水平。
【专利说明】建筑工程施工设备及施工方法【技术领域】
[0001]本发明涉及建筑领域，特别涉及一种建筑工程施工设备及施工方法。
【背景技术】
[0002]建筑工程施工是劳动密集型作业，需要大量普工和特种操作人员同时施工或交叉作业，自动化水平不高且人力成本高。而且，经常由于无施工作业面而停留等待，导致施工效率不高。此外，建筑工程施工属于高危险作业，需要消耗大量人力、物力、财力去保证安全施工。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题在于，提供一种自动化水平高、施工效率高的建筑工程施工设备及施工方法。
[0004]本发明是这样实现的，提供一种建筑工程施工设备，包括塔吊、控制系统、物料添加系统、物料导管和安装在所述塔吊上的3D打印机头；
[0005]所述控制系统用于建立模型并按工程建造要求设置3D打印精度，并利用3D建模软件将所建立的模型进行分层切割，并根据每层模型信息通过所述塔吊控制所述3D打印机头的位置；
[0006]所述物料添 加系统根据所述每层模型信息存储建筑材料，并通过所述物料导管与所述3D打印机头连通。
[0007]进一步地，所述控制系统为安装有所述3D建模软件的计算机。
[0008]进一步地，所述控制系统还用于根据所述每层模型信息转换所述物料添加系统中的建筑材料。
[0009]进一步地，所述塔吊包括塔架和设置在所述塔架上的吊塔平臂；所述物料导管的一端与所述物料添加系统连通，另一端依次穿过所述塔架和所述吊塔平臂后与所述3D打印机头连通。
[0010]进一步地，所述3D打印机头通过缆绳悬挂在所述吊塔平臂下方。
[0011]本发明还提供一种建筑工程施工方法，该方法采用上述的建筑工程施工设备，包括:
[0012]S1:针对需要施工的建筑结构，在所述建筑工程施工设备的控制系统上建立模型，并按工程建造要求设置3D打印精度；利用3D建模软件将所建立的模型进行分层切割，并根据每层模型信息在所述建筑工程施工设备的物料添加系统中添加相应物料；
[0013]S2:根据所述每层模型信息，所述控制系统控制所述建筑工程施工设备的3D打印机头在水平面及竖直面内的位置、移动方向、速度以及3D打印物料的输入，在工地上逐层打印出需要施工的建筑结构。
[0014]进一步地，所述步骤S2包括:所述控制系统根据所述每层模型信息转换所述物料添加系统中的建筑材料。[0015]进一步地，所述步骤S2包括:根据所述每层模型信息，所述控制系统通过所述建筑工程施工设备的塔吊将所述3D打印机头移动到需要的位置，并控制物料添加系统通过所述建筑工程施工设备的物料导管向所述3D打印机头输送生成模板的物料；当所述物料到达所述3D打印机头处时，将所述3D打印机头处的激光温度调整至高于所述物料的熔点或塑化温度，使所述物料熔化后并冷凝后而快速成型，从而生成模板。
[0016]进一步地，所述步骤S2包括:根据所述每层模型信息，所述控制系统通过所述建筑工程施工设备的塔吊将所述3D打印机头移动到需要的位置，并控制所述物料添加系统通过所述建筑工程施工设备的物料导管向所述3D打印机头输送纤维钢筋复合材料；当所述纤维钢筋复合材料到达所述3D打印机头处时，所述3D打印机头根据所述每层模型信息将所述纤维钢筋复合材料打印，从而完成建筑钢筋施工。
[0017]进一步地，所述步骤S2包括:根据所述每层模型信息，所述控制系统通过所述建筑工程施工设备的塔吊将所述3D打印机头移动到需要的位置，并控制所述物料添加系统通过所述建筑工程施工设备的物料导管向所述3D打印机头输送混凝土，进而完成混凝土烧筑。
[0018]与现有技术相比，本发明一实施例中的建筑工程施工设备及施工方法通过在控制系统上建立模型、利用3D建模软件将所建立的模型进行分层切割，并根据每层模型信息在物料添加系统中添加相应物料，而且，控制系统可根据每层模型信息控制3D打印机头在水平面及竖直面内的位置、移动方向、速度以及3D打印物料的输入，可在工地上逐层打印出需要施工的建筑结构。因此，本发明一实施例中的建筑工程施工设备及施工方法只需要技术人员管理设备运营、材料准备和现场管理，可省去大部分工人施工现场手动施工作业，从而节约工程施工成本；同时，可提高工程建设信息化、自动化及可视化施工技术水平。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明一实施例中建筑工程施工设备的示意图。
[0020]图2为图1所示建筑工程施工设备用于打印模板时的示意图。
[0021]图3为图1所示建筑工程施工设备用于在图2所形成的模板上打印纤维钢筋复合材料时的不意图。
[0022]图4为图1所示建筑工程施工设备用于在图3所形成的建筑结构中打印模板支撑柱时的不意图。
[0023]图5为图1所示建筑工程施工设备用于浇筑混凝土时的示意图。
【具体实施方式】
[0024]为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0025]如图1所示，是本发明建筑工程施工设备100的一较佳实施例。该建筑工程施工设备100包括塔吊110、控制系统120、物料添加系统130、物料导管140和3D打印机头150。其中，3D打印机头150安装在塔吊110上，并通过物料导管140与物料添加系统130相连；控制系统120可控制塔吊110的运动，从而将3D打印机头150移动到所需位置，并控制物料从物料添加系统130经过物料导管140输送到3D打印机头150，从而3D打印出所需建筑
的结构。
[0026]具体地，塔吊110包括塔架112、吊塔平臂113和机动系统115。塔架112可大致垂直地设置在地面或基础上。吊塔平臂113大致水平地设置在塔架112顶部，3D打印机头150设置在吊塔平臂113上。机动系统115设置在塔架112上，可在控制系统120的控制下调整吊塔平臂113在水平面和竖直面内的位置，从而将3D打印机头150移动到需要的位置。
[0027]控制系统120可以为安装有3D建模软件的计算机。3D建模软件可包括Bender、OpenSCAD、Art of Illusion、FreeCAD、Wings3D、BRL-CADΛ SketchUp、Autodeskl23D、MeshMixer等。其中，Blender是一种免费开源3D模型制作软件套装。OpenSCAD是一款基于命令行的3D建模软件，可以产生CSG文件，特长是制作实心3D模型。Art of Illusion是开源的3D模型和渲染软件。FreeCAD是来自法国Matra Datavision公司的一款开源免费3D CAD软件，基于CAD/CAM/CAE几何模型核心，是一个功能化、参数化的建模工具。Wings3D是一个开源免费的3D建模软件，适合创建细分曲面模型。BRL-CAD是一款跨平台开源实体几何(CSG)构造和实体模型计算机辅助设计(CAD)系统。SketchUp是谷歌Google的一个免费交互式的3D模型程序，不仅适合高级用户，也适合初学者。Autodeskl23D是欧特克公司的产品，是一个免费3D模型软件，目前只支持Windows系统。MeshMixer是一个3D模型工具，也是Autodesk公司的产品。针对需要施工的建筑结构，在控制系统120上建模、导入模型或3D扫描导入模型，并按工程建造要求设置3D打印精度后，可利用3D建模软件将需要打印的模型进行分层切割，并根据每层模型信息通过塔吊110将3D打印机头150移动到需要的位置，并控制物料添加系统130的物料经过物料导管140输送到3D打印机头150，从而逐层打印，即可进行建筑施工。
[0028]此外，控制系统120还可控制打印机头处激光参数及温度等等。
[0029]物料添加系统130可用于存放建筑材料，并可在控制系统120控制下将建筑材料经过物料导管140输送给3D打印机头150。此外，根据每层模型信息中同一平面的不同结构材料，控制系统120转换物料添加系统130中的建筑材料，从而将相应的建筑材料经过物料导管140输送给3D打印机头150，以打印出相应的结构。
[0030]物料导管140用于将物料添加系统130中的建筑材料输送到3D打印机头150。在一实施例中，物料导管140的一端与物料添加系统130连通，另一端依次穿过塔架112和吊塔平臂113后与3D打印机头150连通。
[0031]3D打印机头150设置在吊塔平臂113上，并可随着吊塔平臂113 —起在水平面和竖直面内运动，从而可在控制系统120的控制下移动到需要的位置进行打印操作。在一实施例中，3D打印机头150可通过缆绳152等悬挂在吊塔平臂113下方。
[0032]上述为本发明一实施例中建筑工程施工设备100的具体结构，下面简述建筑工程施工设备100的使用方法。
[0033]在一实施例中，利用建筑工程施工设备100进行建筑工程施工的方法包括:
[0034]S1:针对需要施工的建筑结构，在控制系统120上建立模型，并按工程建造要求设置3D打印精度；利用3D建模软件将所建立的模型进行分层切割，并根据每层模型信息在物料添加系统130中添加相应物料；[0035]S2:根据每层模型信息，控制系统120控制3D打印机头150在水平面及竖直面内的位置、移动方向、速度以及3D打印物料的输入，在工地上逐层打印出需要施工的建筑结构，例如图1中所示的建筑结构200。
[0036]下面以针对建筑工程的模板、模板支撑柱、钢筋进行3D打印以及混凝土浇筑为例，进一步说明上述方法。其中，同一平面的模板(两层)、钢筋模板及支撑柱是同时打印的，层层叠加以实现3D打印，为了便于说明，分别【专利附图】
【附图说明】。
[0037]图2为图1所示建筑工程施工设备用于打印模板210时的示意图。如图2所示，根据每层模型信息，控制系统120可通过塔吊110将3D打印机头150移动到需要的位置，并控制物料添加系统130通过物料导管140向3D打印机头150输送生成模板210的物料如塑料等。当物料如塑料等到达3D打印机头150处时，可将3D打印机头150处的激光温度调整至高于物料如塑料的熔点或塑化温度，使得物料如塑料等熔化后并冷凝后而快速成型，从而生成图2中所示的模板210。
[0038]图3为图1所不建筑工程施工设备100用于在图2所形成的模板210上打印纤维钢筋复合材料220时的示意图。相似地，根据每层模型信息，控制系统120可通过塔吊110将3D打印机头150移动到需要的位置，并控制物料添加系统130通过物料导管140向3D打印机头150输送纤维钢筋复合材料220。当纤维钢筋复合材料220到达3D打印机头150处时，3D打印机头150可根据每层模型信息将纤维钢筋复合材料220打印在制定的位置，从而完成3D打印建筑钢筋施工。由于纤维钢筋复合材料220可以满足建筑结构各方面性能要求，因此，以3D打印的纤维钢筋复合材料220作为建筑钢筋可以不用钢筋接驳，能够避免传统建筑钢筋驳接难题。此外，3D打印的纤维钢筋复合材料220作为建筑钢筋具有连续性铺设、交叉钢筋每一层都叠在一起、编织成网状等特点，因此，受力结构具有很好的整体性、刚度强、整体结构稳定。
[0039]图4为图1所不建筑工程施工设备100用于在图3所形成的建筑结构中打印模板支撑柱280时的示意图。相似地，根据每层模型信息，控制系统120可通过塔吊110将3D打印机头150移动到需要的位置，并控制物料添加系统130通过物料导管140向3D打印机头150输送模板支撑柱280的材料，进而完成模板支撑柱280的3D打印。
[0040]图5为图1所示建筑工程施工设备100用于浇筑混凝土 230时的示意图。相似地，根据每层模型信息，控制系统120可通过塔吊110将3D打印机头150移动到需要的位置，并控制物料添加系统130通过物料导管140向3D打印机头150输送混凝土，进而完成混凝土 230浇筑。
[0041]如上所述，本发明一实施例中的建筑工程施工设备100及施工方法通过在控制系统120上建立模型、利用3D建模软件将所建立的模型进行分层切割，并根据每层模型信息在物料添加系统130中添加相应物料，而且，控制系统120可根据每层模型信息控制3D打印机头150在水平面及竖直面内的位置、移动方向、速度以及3D打印物料的输入，可在工地上逐层打印出需要施工的建筑结构。因此，本发明一实施例中的建筑工程施工设备100及施工方法只需要技术人员管理设备运营、材料准备和现场管理，可省去大部分工人施工现场手动施工作业，从而节约工程施工成本；同时，可提高工程建设信息化、自动化及可视化施工技术水平。此外，建筑工程施工设备100及施工方法能够在三维空间范围内精确定位，能够很大程度上提高工程施工的精度，并可避免构件制作、安装过程中的误差以及这些过程中产生的内部应力和变形，使工程建筑实体基本上跟实际图纸或模型完全一致，实体受力体系很接近模型受力体系，为工程建筑的理想状态，结构稳定性及安全性更有保障。
[0042]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种建筑工程施工设备，其特征在于，包括塔吊、控制系统、物料添加系统、物料导管和安装在所述塔吊上的3D打印机头； 所述控制系统用于建立模型并按工程建造要求设置3D打印精度，并利用3D建模软件将所建立的模型进行分层切割，并根据每层模型信息通过所述塔吊控制所述3D打印机头的位置； 所述物料添加系统根据所述每层模型信息存储建筑材料，并通过所述物料导管与所述3D打印机头连通。
2.根据权利要求1所述的建筑工程施工设备，其特征在于，所述控制系统为安装有所述3D建模软件的计算机。
3.根据权利要求1所述的建筑工程施工设备，其特征在于，所述控制系统还用于根据所述每层模型信息转换所述物料添加系统中的建筑材料。
4.根据权利要求1所述的建筑工程施工设备，其特征在于，所述塔吊包括塔架和设置在所述塔架上的吊塔平臂；所述物料导管的一端与所述物料添加系统连通，另一端依次穿过所述塔架和所述吊塔平臂后与所述3D打印机头连通。
5.根据权利要求4所述的建筑工程施工设备，其特征在于，所述3D打印机头通过缆绳悬挂在所述吊塔平臂下方。
6.一种建筑工程施工方法，该方法采用如权利要求1至5中任何一项所述的建筑工程施工设备，包括: S1:针对需要施工的建筑结构，在所述建筑工程施工设备的控制系统上建立模型，并按工程建造要求设置3D打印精度；利用3D建模软件将所建立的模型进行分层切割，并根据每层模型信息在所述建筑工程施工设备的物料添加系统中添加相应物料； S2:根据所述每层模型信息，所述控制系统控制所述建筑工程施工设备的3D打印机头在水平面及竖直面内的位置、移动方向、速度以及3D打印物料的输入，在工地上逐层打印出需要施工的建筑结构。
7.根据权利要求6所述的建筑工程施工方法，其特征在于，所述步骤S2包括:所述控制系统根据所述每层模型信息转换所述物料添加系统中的建筑材料。
8.根据权利要求6所述的建筑工程施工方法，其特征在于，所述步骤S2包括:根据所述每层模型信息，所述控制系统通过所述建筑工程施工设备的塔吊将所述3D打印机头移动到需要的位置，并控制物料添加系统通过所述建筑工程施工设备的物料导管向所述3D打印机头输送生成模板的物料；当所述物料到达所述3D打印机头处时，将所述3D打印机头处的激光温度调整至高于所述物料的熔点或塑化温度，使所述物料熔化后并冷凝后而快速成型，从而生成模板。
9.根据权利要求6所述的建筑工程施工方法，其特征在于，所述步骤S2包括:根据所述每层模型信息，所述控制系统通过所述建筑工程施工设备的塔吊将所述3D打印机头移动到需要的位置，并控制所述物料添加系统通过所述建筑工程施工设备的物料导管向所述3D打印机头输送纤维钢筋复合材料；当所述纤维钢筋复合材料到达所述3D打印机头处时，所述3D打印机头根据所述每层模型信息将所述纤维钢筋复合材料打印，从而完成建筑钢筋施工。
10.根据权利要求6所述的建筑工程施工方法，其特征在于，所述步骤S2包括:根据所述每层模型信息，所述控制系统通过所述建筑工程施工设备的塔吊将所述3D打印机头移动到需要的位置，并控制所述物料添加系统通过所述建筑工程施工设备的物料导管向所述3D打印机头输送混凝土，进而完成 混凝土浇筑。
【文档编号】E04G21/00GK103790378SQ201410007663
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月8日 优先权日:2014年1月8日
【发明者】马义俊, 廖选茂, 李春田, 陈振明, 范彩霞, 廖彪, 温小勇, 孔维拯 申请人:中建钢构有限公司