基于三维激光扫描和3D打印的建筑重建系统与方法与流程

本发明涉及建筑施工技术领域，特别涉及一种基于三维激光扫描和3D打印的建筑重建系统与方法。

背景技术：

我国相继出台一系列包括《国家高技术研究发展计划(863计划)》、《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》和《中国制造2025》等纲领性文件，均将3D打印技术作为优先发展的国家战略。目前，建筑行业的自动化水平与其他行业相比尚显落后，其发展迫切需要转型升级。3D打印建筑具有自动化程度高、一次成型、建筑耗材和工艺损耗少等特点。针对当前建筑行业施工粗放的现状，有必要结合3D打印与建筑施工技术，实现建筑快速、高效的自动化建造。

古建筑重建是建筑施工领域，其包括既有损坏古建筑测绘和重建施工工作。传统的单点测量方法所测绘的结果难以真实反映既有古建筑情况。近年来，发展出现一项利用激光雷达探测和测距技术的全新技术手段，即3D激光扫描技术。采用该技术可大面积、高精度、非接触地快速获取被测对象表面的三维坐标点云数据。针对古建筑重建的特点，有必要提出一种结合三维激光扫描、3D打印等技术的实体建筑重建系统与方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于三维激光扫描和3D打印的建筑重建系统与方法，能够解决采用传统监测手段仅能获取单点数据且可靠性低而不能满足建筑重建测绘要求大范围、快速精确测量等技术难题，解决传统建筑重建施工效率及自动化程度低等问题，以及解决传统打印装置在水平面范围不能移动扩展等问题。

为解决上述问题，本发明提供一种基于三维激光扫描和3D打印的建筑重建系统，包括：

包括三维激光扫描测量子系统1、数据处理及3D建模子系统2、3D模型分析及修正子系统3、3D打印实体建筑子系统4，其中，

设置于建筑附近的三维激光扫描测量子系统1，用于扫描获取建筑的内外表面的三维点云数据；

与所述三维激光扫描测量子系统1通信的数据处理及3D建模子系统2，用于对所述三维点云数据进行处理，并根据处理后的数据建立所述建筑的3D数字模型；

与所述数据处理及3D建模子系统2通信的3D模型分析及修正子系统3，用于对所述3D数字模型进行合理性分析，并根据所述合理性分析对所述3D数字模型进行修正；

与所述3D模型分析及修正子系统3通信的3D打印实体建筑子系统4，用于根据修正后的3D数字模型进行所述建筑的实体3D打印，实现所述建筑的重建。

进一步的，上述系统中，所述三维激光扫描测量子系统包括标靶集11、升降平台12、全站仪13、三维激光扫描仪14和计算机15，其中，

标靶集11，包括设置于所述建筑10的内外表面的各个位置的标靶，用于扫描测量的参考点，辅助测量，辅助建筑的内外表面的三维点云数据配准及坐标转化；

升降平台12，用于承载所述三维激光扫描仪14，并调节升降平台高度和位置以方便所述三维激光扫描仪14的测量；

全站仪13，用于控制站点的坐标测量与布设、标靶集11的测量以形成控制网16，所述控制站点为进行扫描时三维激光扫描仪各个所处的位置，所述控制网，用于提供闭合的控制站点以形成扫描路径17，辅助所述三维激光扫描仪14的扫描测量；

三维激光扫描仪14，用于扫描建筑10的内外表面的三维点云数据及标靶集11；

分别与所述三维激光扫描仪14和全站仪13连接的计算机15，用于根据所述控制网16并利用扫描软件控制三维激光扫描仪14对建筑10的内外表面的三维点云数据和标靶集11进行扫描测量。

进一步的，上述系统中，所述数据处理及3D建模子系统2包括3D扫描数据后处理软件21、3D外表面模型重建程序22、3D内表面模型重建程序23、3D建筑模型重建程序24，其中，

3D扫描数据后处理软件21，用于对所述建筑的内外表面的三维点云数据的处理，包括去燥、修补、优化、根据所述标靶集对三维点云数据配准及坐标转化，得到全局坐标建筑内外表面点云数据；

3D外表面模型重建程序22，用于根据全局坐标建筑外表面点云数据建立外表面的3D数字模型；

3D内表面模型重建程序23，用于全局坐标建筑内表面点云数据建立内表面的3D数字模型；

3D建筑模型重建程序24，用于根据所述内、外表面的3D数字模型进行坐标匹配，建立具有厚度的3D数字模型。

进一步的，上述系统中，所述3D模型分析及修正子系统3包括基于FEM的建筑结构力学分析程序31、3D模型与3D打印数字模型转化程序32、基于3D打印的缩尺模型修正工具33，其中，

基于FEM的建筑结构力学分析程序31，用于所述具有厚度的3D数字模型进行计算分析，判断所述具有厚度的3D数字模型的力学结构的合理性，若力学结构不合理对所述具有厚度的3D数字模型进行修正；

3D模型与3D打印数字模型转化程序32，将所述具有厚度的3D数字模型或经过修正后的所述具有厚度的3D数字模型，转化为适合3D打印的数字模型；

基于3D打印的缩尺模型修正工具33，用于根据所述适合3D打印的数字模型，并采用3D打印技术预打印缩尺建筑模型预打印缩尺建筑模型，并根据预打印缩尺建筑模型判断所述适合3D打印的数字模型的合理性，并对不合理的所述适合3D打印的数字模型的局部模型进行修正处理。

进一步的，上述系统中，所述3D打印实体建筑子系统4包括模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100以及与其连接的实体建筑3D打印装置200，其中，

所述模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100，包括：

可扩展的模块化地面导轨110；

设置于所述模块化地面导轨110上的XY方向驱动车轮120；

设置于所述XY方向驱动车轮120上的X、Y、Z方向模块化稳定导轨130，每个X、Y、Z方向模块化稳定导轨130的两端对应设置有X、Y、Z方向稳定导轨扩展连接件160；

设置于所述Z方向模块化稳定导轨130的下部的转动顶升驱动140，所述转动顶升驱动140与所述XY方向驱动车轮120连接；

设置于所述Z方向模块化稳定导轨130的上部的Z方向顶升制动驱动150，X、Y方向模块化稳定导轨130上对应设置有X、Y方向驱动制动170；

所述实体建筑3D打印装置200，包括：

设置于所述Y方向模块化稳定导轨130上的打印头导轨横梁210；

设置于所述打印头导轨横梁210上的Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230，打印头导轨横梁210一端与建筑材料300输送管连接，另一端设置所述打印头导轨横梁扩展连接件240；

设置于所述打印头导轨横梁210上的竖向打印头250和X方向打印头驱动制动260，所述X方向打印头驱动制动260与所述竖向打印头250连接。

进一步的，在上述装置中，所述模块化地面导轨110包括：4条两两平行与地面接触的模块化地面导轨110，其中两条为X方向地面导轨111，另外两条为Y方向地面导轨112，所述X、Y方向地面导轨111、112两端对应设置可实现扩展地面导轨长度X、Y方向的地面导轨扩展连接件113、114。

进一步的，在上述系统中，所述XY方向驱动车轮120包括与其中两条平行轨道X方向或Y方向地面导轨111、112接触的4个XY方向驱动车轮120。

进一步的，在上述系统中，所述X、Y、Z方向模块化稳定导轨130包括4根垂直于地面的Z方向模块化稳定导轨133、连接于所述4根Z方向模块化稳定导轨133的上部的2根上层X方向稳定导轨131和2根上层Y方向稳定导轨132，连接于所述4根Z方向模块化稳定导轨133的下部的2根下层X方向稳定导轨131和2根下层Y方向稳定导轨132，2根上层X方向稳定导轨131和2根上层Y方向稳定导轨132连接构成上层矩形，2根下层X方向稳定导轨131和2根下层Y方向稳定导轨132连接构成下层矩形，其中，

每根Z方向稳定导轨133的一端分别通过所述转动顶升驱动140与4个XY驱动车轮120固结，每根Z方向稳定导轨133另一端各连接有2个Z方向顶升制动驱动150，每根上层X方向稳定导轨131和上层Y方向稳定导轨132设置于所述2个Z方向顶升制动驱动150之间；

每根Z方向稳定导轨顶部150均设置有可实现扩展Z方向稳定导轨133长度的Z方向稳定导轨扩展连接件163；

每根X方向稳定导轨131的每端设置有2个X方向驱动制动171和可实现扩展X方向稳定导轨131长度的X方向稳定导轨扩展连接件161；

每根Y方向稳定导轨132的每端设置有2个Y方向驱动制动172和可实现扩展Y方向稳定导轨132长度的Y方向稳定导轨扩展连接件162。

进一步的，在上述系统中，所述打印头导轨横梁210设置于所述平行的2根上层Y方向稳定导轨132上；

所述Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230的数量分别为2个，Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230分别设置于所述打印头导轨横梁210与2根上层Y方向稳定导轨132的连接端；

所述竖向打印头250设置于2个打印头横梁制动230之间的打印头导轨横梁210上，所述竖向打印头250通过所述X方向打印头驱动制动260设置于打印头导轨横梁210上。

根据本发明的另一面，提供一种上述基于三维激光扫描和3D打印的建筑重建的重建方法，包括：

扫描获取建筑的内外表面的三维点云数据；

对所述三维点云数据进行处理，并根据处理后的数据建立所述建筑的3D数字模型；

对所述3D数字模型进行合理性分析，并根据所述合理性分析对所述3D数字模型进行修正；

根据修正后的3D数字模型进行所述建筑的实体3D打印，实现所述建筑的重建。

进一步的，上述方法中，扫描获取建筑的内外表面的三维点云数据的步骤，包括：

根据被测建筑的现场情况确定三维激光扫描仪的内外表面的控制站点数量，通常大于4个；

根据所述控制站点数量在所述建筑周围布设所述控制站点并编号，确保每个控制站点与相邻控制站点保持通视；

根据被测建筑的情况确定内外表面的标靶集中标靶的数量，每个控制站点的扫描范围内至少3个标靶，根据所述标靶的数量在建筑的内外表面布设标靶集并编号；

调节升降平台的竖向位置，使被测建筑在三维激光扫描仪的扫描范围内；

采用全站仪对所述标靶集和控制站点进行测量，布设高精度的控制网，提供闭合的控制站点；

调节升降平台水平位置，使得水平方向升降平台的定位点与所述控制站点的中心重合；

根据所述控制网并采用三维激光扫描仪分另对被测建筑的内表面和外表面及对应的标靶集进行扫描作业，获取建筑的内外表面的三维点云数据及标靶集。

进一步的，上述方法中，对所述三维点云数据进行处理，并根据处理后的数据建立所述建筑的3D数字模型的步骤，包括：

对所述建筑的内外表面的三维点云数据的处理，包括去燥、修补、优化、根据所述标靶集对三维点云数据配准及坐标转化，得到全局坐标建筑内外表面点云数据；

分别采用3D内表面模型重建程序和3D外表面模型重建程序，并根据所述全局坐标建筑内外表面点云数据建立所述建筑的内、外表面的3D数字模型；

根据所述内、外表面的3D数字模型进行坐标匹配，建立具有厚度的3D数字模型。

进一步的，上述方法中，对所述3D数字模型进行合理性分析，并根据所述合理性分析对所述3D数字模型进行修正的步骤，包括

基于FEM的建筑结构力学分析程序，用于所述具有厚度的3D数字模型进行计算分析，判断所述具有厚度的3D数字模型的力学结构的合理性，若力学结构不合理对所述具有厚度的3D数字模型进行修正；

采用3D模型与3D打印数字模型转化程序将所述具有厚度的3D数字模型或经过修正后的所述具有厚度的3D数字模型，转化为适合3D打印的数字模型；

根据所述适合3D打印的数字模型，并采用3D打印技术预打印缩尺建筑模型预打印缩尺建筑模型，并根据预打印缩尺建筑模型判断所述适合3D打印的数字模型的合理性，并对不合理的所述适合3D打印的数字模型的局部模型进行修正处理。

进一步的，上述方法中，根据修正后的3D数字模型进行所述建筑的实体3D打印，实现所述建筑的重建的步骤，包括：

根据修正后的3D数字模型，通过动力控制系统(图中未画出)向实体建筑3D打印装置200发送控制指令，通过Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230控制竖向打印头导轨横梁210实现Y方向的移动，通过X方向打印头驱动制动260控制竖向打印头250实现X方向的移动，通过控制竖向打印头250在XY平面内喷射建筑材料300实现建(构)筑物各建筑截面层打印施工，并通过动力控制系统(图中未画出)向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100发送控制指令，通过启动Z方向顶升制动驱动150，向上顶升竖向打印头250至建(构)筑物上一建筑截面层后制动，继续打印施工，如此循环逐步向上顶升打印，实现建(构)筑物自下向上逐层沿Z方向打印。

进一步的，在上述方法中，所述方法还包括：

若已打印施工建(构)筑物400的高度超过Z方向打印范围，与Z方向稳定导轨133高度相同时，通过动力控制系统(图中未画出)向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100发送控制指令，通过Z方向稳定导轨扩展连接件163加长Z方向稳定导轨133，启动Z方向顶升制动驱动150，向上顶升竖向打印头250至超过已打印施工建(构)筑物一定高度后制动，继续打印施工，如此循环逐步向上顶升打印，实现打印装置整体向上顶升并逐层打印。

进一步的，在上述方法中，所述方法还包括：

若建(构)筑物500超过Y方向的打印范围，通过动力控制系统(图中未画出)向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100发送控制指令，通过控制转动顶升驱动140实现驱动车轮120转向，通过XY方向驱动车轮120沿着Y方向地面导轨112行驶，同时调节Y方向制动172扩展Y方向打印范围，待超出Y方向稳定导轨132长度时，通过Y方向地面导轨扩展连接件114加长Y方向地面导轨112，并通过Y方向稳定导轨扩展连接件162加长下层Y方向稳定导轨132和上层Y方向稳定导轨132，调节XY方向驱动车轮120沿着Y方向地面导轨112行驶，同时调节Y方向驱动制动172实现Y方向打印区域进一步扩大。

进一步的，在上述方法中，所述方法还包括：

若建(构)筑物600超过X方向打印装置范围，通过动力控制系统(图中未画出)向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100发送控制指令，通过控制转动顶升驱动140实现驱动车轮120转向，通过XY方向驱动车轮120沿着X方向地面导轨111行驶，同时调节X方向驱动制动171扩展X方向打印范围，待超出X方向稳定导轨131的长度时，通过X方向地面导轨扩展连接件113加长X方向地面导轨111，并通过X方向稳定导轨扩展连接件161分别加长下层X方向稳定导轨131和上层X方向稳定导轨131，调节XY方向驱动车轮120沿着加长后的X方向稳定导轨131行驶，同时调节X方向驱动制动171实现X方向打印区域进一步扩大。如此可逐层自适应扩展打印装置在XY平面的打印范围以实现大范围大量实体建(构)筑物的打印施工。

与现有技术相比，本发明通过三维激光扫描测量子系统、数据处理及3D建模子系统、3D模型分析及修正子系统、3D打印实体建筑子系统，解决采用传统监测手段仅能获取单点数据且可靠性低而不能满足建筑重建测绘要求大范围、快速精确测量等技术难题，建筑重建测绘中传统单点式监测方法存在监测范围小、信息化较低，解决传统建筑重建施工效率及自动化程度低等问题，以及解决传统打印装置在水平面范围不能移动扩展等问题，可大面积、高精度、非接触地快速获取建筑点云数据，可实现建筑快速、高效的自动化建造。

附图说明

图1是本发明一实施例的基于三维激光扫描和3D打印的建筑重建系统原理图；

图2是本发明一实施例的基于三维激光扫描和3D打印的建筑重建系统方法流程图；

图3是本发明一实施例的三维激光扫描测量子系统示意图；

图4是本发明一实施例的模块化三轴自适应的移动式3D打印装置的结构图；

图5是本发明一实施例的建筑400打印施工及Z方向打印范围扩展示意图；

图6是本发明一实施例的Z方向打印范围扩展后建筑400继续打印施工示意图；

图7是本发明一实施例的建筑500打印施工及Y方向打印范围扩展示意图；

图8是本发明一实施例的Y方向打印范围扩展后建筑600打印施工示意图；

图9是本发明一实施例的建筑600X方向打印范围扩展示意图；

图10是本发明一实施例的X方向打印范围扩展后建筑600继续打印施工示意图；

1-三维激光扫描测量子系统，2-数据处理及3D建模子系统，3-3D模型分析及修正子系统，4-3D打印实体建筑子系统；

10-建筑，11-标靶集，12-升降平台，13-全站仪，14-三维激光扫描仪，15-计算机，16-控制网，17-扫描路径；

100-模块化三轴驱动导向自适应扩展装置：

110-模块化地面导轨，111-X方向地面导轨，112-Y方向地面导轨，113-X方向地面导轨扩展连接件，114-Y方向地面导轨扩展连接件；120-XY方向驱动车轮，130-XYZ方向模块化稳定导轨，131-X方向稳定导轨，132-Y方向稳定导轨，133-Z方向稳定导轨；140-转动顶升驱动；150-Z方向顶升制动驱动；160-XYZ方向稳定导轨扩展连接件，161-X方向稳定导轨扩展连接件，162-Y方向稳定导轨扩展连接件，163-Z方向稳定导轨扩展连接件；170-XY方向驱动制动，171-X方向驱动制动，172-Y方向驱动制动；

200-实体建筑3D打印装置：

210-打印头导轨横梁；220-Y方向打印头导轨驱动；230-打印头横梁制动；240-打印头导轨横梁扩展连接件；250-打印头；260-X方向打印头驱动制动；

300-建筑材料。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和3所示，本发明提供一种基于三维激光扫描和3D打印的建筑重建系统，包括三维激光扫描测量子系统1、数据处理及3D建模子系统2、3D模型分析及修正子系统3、3D打印实体建筑子系统4，其中，

设置于建筑附近的三维激光扫描测量子系统1，用于扫描获取建筑的内外表面的三维点云数据；

与所述三维激光扫描测量子系统1通信的数据处理及3D建模子系统2，用于对所述三维点云数据进行处理，并根据处理后的数据建立所述建筑的3D数字模型；

与所述数据处理及3D建模子系统2通信的3D模型分析及修正子系统3，用于对所述3D数字模型进行合理性分析，并根据所述合理性分析对所述3D数字模型进行修正；

与所述3D模型分析及修正子系统3通信的3D打印实体建筑子系统4，用于根据修正后的3D数字模型进行所述建筑的实体3D打印，实现所述建筑的重建。

优选的，如图2所示，所述三维激光扫描测量子系统包括标靶集11、升降平台12、全站仪13、三维激光扫描仪14和计算机15，其中，

标靶集11，包括设置于所述建筑10的内外表面的各个位置的标靶，用于扫描测量的参考点，辅助测量，辅助建筑的内外表面的三维点云数据配准及坐标转化；

升降平台12，用于承载所述三维激光扫描仪14，并调节升降平台高度和位置以方便所述三维激光扫描仪14的测量；

全站仪13，用于控制站点的坐标测量与布设、标靶集11的测量以形成控制网16，所述控制站点为进行扫描时三维激光扫描仪各个所处的位置，所述控制网，用于提供闭合的控制站点以形成扫描路径17，辅助所述三维激光扫描仪14的扫描测量；

三维激光扫描仪14，用于扫描建筑10的内外表面的三维点云数据及标靶集11；

分别与所述三维激光扫描仪14和全站仪13连接的计算机15，用于根据所述控制网16并利用扫描软件控制三维激光扫描仪14对建筑10的内外表面的三维点云数据和标靶集11进行扫描测量。

优选的，如图1和3所示，所述数据处理及3D建模子系统2包括3D扫描数据后处理软件21、3D外表面模型重建程序22、3D内表面模型重建程序23、3D建筑模型重建程序24，其中，

3D扫描数据后处理软件21，用于对所述建筑的内外表面的三维点云数据的处理，包括去燥、修补、优化、根据所述标靶集对三维点云数据配准及坐标转化，得到全局坐标建筑内外表面点云数据；

3D外表面模型重建程序22，用于根据全局坐标建筑外表面点云数据建立外表面的3D数字模型；

3D内表面模型重建程序23，用于全局坐标建筑内表面点云数据建立内表面的3D数字模型；

3D建筑模型重建程序24，用于根据所述内、外表面的3D数字模型进行坐标匹配，建立具有厚度的3D数字模型。

优选的，如图1和3所示，所述3D模型分析及修正子系统3包括基于FEM的建筑结构力学分析程序31、3D模型与3D打印数字模型转化程序32、基于3D打印的缩尺模型修正工具33，其中，

基于FEM的建筑结构力学分析程序31，用于所述具有厚度的3D数字模型进行计算分析，判断所述具有厚度的3D数字模型的力学结构的合理性，若力学结构不合理对所述具有厚度的3D数字模型进行修正；

3D模型与3D打印数字模型转化程序32，将所述具有厚度的3D数字模型或经过修正后的所述具有厚度的3D数字模型，转化为适合3D打印的数字模型；

基于3D打印的缩尺模型修正工具33，用于根据所述适合3D打印的数字模型，并采用3D打印技术预打印缩尺建筑模型预打印缩尺建筑模型，并根据预打印缩尺建筑模型判断所述适合3D打印的数字模型的合理性，并对不合理的所述适合3D打印的数字模型的局部模型进行修正处理。

优选的，如图4所示，所述3D打印实体建筑子系统4包括模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100以及与其连接的实体建筑3D打印装置200，其中，

所述模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100，包括：

可扩展的模块化地面导轨110；

设置于所述模块化地面导轨110上的XY方向驱动车轮120；

设置于所述XY方向驱动车轮120上的X、Y、Z方向模块化稳定导轨130，每个X、Y、Z方向模块化稳定导轨130的两端对应设置有X、Y、Z方向稳定导轨扩展连接件160；

设置于所述Z方向模块化稳定导轨130的下部的转动顶升驱动140，所述转动顶升驱动140与所述XY方向驱动车轮120连接；

设置于所述Z方向模块化稳定导轨130的上部的Z方向顶升制动驱动150，X、Y方向模块化稳定导轨130上对应设置有X、Y方向驱动制动170；

所述实体建筑3D打印装置200，包括：

设置于所述Y方向模块化稳定导轨130上的打印头导轨横梁210；

设置于所述打印头导轨横梁210上的Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230，打印头导轨横梁210一端与建筑材料300输送管连接，另一端设置所述打印头导轨横梁扩展连接件240；

设置于所述打印头导轨横梁210上的竖向打印头250和X方向打印头驱动制动260，所述X方向打印头驱动制动260与所述竖向打印头250连接。

优选的，如图4所示，所述模块化地面导轨110包括：4条两两平行与地面接触的模块化地面导轨110，其中两条为X方向地面导轨111，另外两条为Y方向地面导轨112，所述X、Y方向地面导轨111、112两端对应设置可实现扩展地面导轨长度X、Y方向的地面导轨扩展连接件113、114。

优选的，如图4所示，所述XY方向驱动车轮120包括与其中两条平行轨道X方向或Y方向地面导轨111、112接触的4个XY方向驱动车轮120。

优选的，如图4所示，所述X、Y、Z方向模块化稳定导轨130包括4根垂直于地面的Z方向模块化稳定导轨133、连接于所述4根Z方向模块化稳定导轨133的上部的2根上层X方向稳定导轨131和2根上层Y方向稳定导轨132，连接于所述4根Z方向模块化稳定导轨133的下部的2根下层X方向稳定导轨131和2根下层Y方向稳定导轨132，2根上层X方向稳定导轨131和2根上层Y方向稳定导轨132连接构成上层矩形，2根下层X方向稳定导轨131和2根下层Y方向稳定导轨132连接构成下层矩形，其中，

每根Z方向稳定导轨133的一端分别通过所述转动顶升驱动140与4个XY驱动车轮120固结，每根Z方向稳定导轨133另一端各连接有2个Z方向顶升制动驱动150，每根上层X方向稳定导轨131和上层Y方向稳定导轨132设置于所述2个Z方向顶升制动驱动150之间；

每根Z方向稳定导轨顶部150均设置有可实现扩展Z方向稳定导轨133长度的Z方向稳定导轨扩展连接件163；

每根X方向稳定导轨131的每端设置有2个X方向驱动制动171和可实现扩展X方向稳定导轨131长度的X方向稳定导轨扩展连接件161；

每根Y方向稳定导轨132的每端设置有2个Y方向驱动制动172和可实现扩展Y方向稳定导轨132长度的Y方向稳定导轨扩展连接件162。

优选的，如图4所示，所述打印头导轨横梁210设置于所述平行的2根上层Y方向稳定导轨132上；

所述Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230的数量分别为2个，Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230分别设置于所述打印头导轨横梁210与2根上层Y方向稳定导轨132的连接端；

所述竖向打印头250设置于2个打印头横梁制动230之间的打印头导轨横梁210上，所述竖向打印头250通过所述X方向打印头驱动制动260设置于打印头导轨横梁210上。

如图1和3所示，根据本发明的另一面，还提供一种采用上述三维激光扫描和3D打印的实体建筑重建系统的重建方法，所述方法包括：

扫描获取建筑的内外表面的三维点云数据；

对所述三维点云数据进行处理，并根据处理后的数据建立所述建筑的3D数字模型；

对所述3D数字模型进行合理性分析，并根据所述合理性分析对所述3D数字模型进行修正；

根据修正后的3D数字模型进行所述建筑的实体3D打印，实现所述建筑的重建。

优选的，如图2所示，扫描获取建筑的内外表面的三维点云数据的步骤，包括：

根据被测建筑的现场情况确定三维激光扫描仪的内外表面的控制站点数量，通常大于4个；

根据所述控制站点数量在所述建筑周围布设所述控制站点并编号，确保每个控制站点与相邻控制站点保持通视；

根据被测建筑的情况确定内外表面的标靶集中标靶的数量，每个控制站点的扫描范围内至少3个标靶，根据所述标靶的数量在建筑的内外表面布设标靶集并编号；

调节升降平台的竖向位置，使被测建筑在三维激光扫描仪的扫描范围内；

采用全站仪对所述标靶集和控制站点进行测量，布设高精度的控制网，提供闭合的控制站点；

调节升降平台水平位置，使得水平方向升降平台的定位点与所述控制站点的中心重合；

根据所述控制网并采用三维激光扫描仪分另对被测建筑的内表面和外表面及对应的标靶集进行扫描作业，获取建筑的内外表面的三维点云数据及标靶集。

优选的，对所述三维点云数据进行处理，并根据处理后的数据建立所述建筑的3D数字模型的步骤，包括：

对所述建筑的内外表面的三维点云数据的处理，包括去燥、修补、优化、根据所述标靶集对三维点云数据配准及坐标转化，得到全局坐标建筑内外表面点云数据；

分别采用3D内表面模型重建程序和3D外表面模型重建程序，并根据所述全局坐标建筑内外表面点云数据建立所述建筑的内、外表面的3D数字模型；

根据所述内、外表面的3D数字模型进行坐标匹配，建立具有厚度的3D数字模型。

优选的，对所述3D数字模型进行合理性分析，并根据所述合理性分析对所述3D数字模型进行修正的步骤，包括

基于FEM的建筑结构力学分析程序，用于所述具有厚度的3D数字模型进行计算分析，判断所述具有厚度的3D数字模型的力学结构的合理性，若力学结构不合理对所述具有厚度的3D数字模型进行修正；

采用3D模型与3D打印数字模型转化程序将所述具有厚度的3D数字模型或经过修正后的所述具有厚度的3D数字模型，转化为适合3D打印的数字模型；

根据所述适合3D打印的数字模型，并采用3D打印技术预打印缩尺建筑模型预打印缩尺建筑模型，并根据预打印缩尺建筑模型判断所述适合3D打印的数字模型的合理性，并对不合理的所述适合3D打印的数字模型的局部模型进行修正处理。

优选的，如图4所示，根据修正后的3D数字模型进行所述建筑的实体3D打印，实现所述建筑的重建的步骤，包括：

根据修正后的3D数字模型，通过动力控制系统(图中未画出)向实体建筑3D打印装置200发送控制指令，通过Y方向打印头导轨驱动220和打印头横梁制动230控制竖向打印头导轨横梁210实现Y方向的移动，通过X方向打印头驱动制动260控制竖向打印头250实现X方向的移动，通过控制竖向打印头250在XY平面内喷射建筑材料300实现建(构)筑物各建筑截面层打印施工，并通过动力控制系统(图中未画出)向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100发送控制指令，通过启动Z方向顶升制动驱动150，向上顶升竖向打印头250至建(构)筑物上一建筑截面层后制动，继续打印施工，如此循环逐步向上顶升打印，实现建(构)筑物自下向上逐层沿Z方向打印。

优选的，如图5和6所示，优选的，根据修正后的3D数字模型进行所述建筑的实体3D打印，实现所述建筑的重建的步骤，还包括：

若已打印施工建(构)筑物400的高度超过Z方向打印范围，与Z方向稳定导轨133高度相同时，通过动力控制系统(图中未画出)向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100发送控制指令，通过Z方向稳定导轨扩展连接件163加长Z方向稳定导轨133，启动Z方向顶升制动驱动150，向上顶升竖向打印头250至超过已打印施工建(构)筑物一定高度后制动，继续打印施工，如此循环逐步向上顶升打印，实现打印装置整体向上顶升并逐层打印。

如图7和8所示，优选的，根据修正后的3D数字模型进行所述建筑的实体3D打印，实现所述建筑的重建的步骤，还包括：

若建(构)筑物500超过Y方向的打印范围，通过动力控制系统(图中未画出)向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100发送控制指令，通过控制转动顶升驱动140实现驱动车轮120转向，通过XY方向驱动车轮120沿着Y方向地面导轨112行驶，同时调节Y方向制动172扩展Y方向打印范围，待超出Y方向稳定导轨132长度时，通过Y方向地面导轨扩展连接件114加长Y方向地面导轨112，并通过Y方向稳定导轨扩展连接件162加长下层Y方向稳定导轨132和上层Y方向稳定导轨132，调节XY方向驱动车轮120沿着Y方向地面导轨112行驶，同时调节Y方向驱动制动172实现Y方向打印区域进一步扩大。如此可逐层自适应扩展打印装置在XY平面的打印范围以实现大范围大量实体建(构)筑物的打印施工。

如图9和10所示，优选的，优选的，根据修正后的3D数字模型进行所述建筑的实体3D打印，实现所述建筑的重建的步骤，还包括：

若建(构)筑物600超过X方向打印装置范围，通过动力控制系统(图中未画出)向模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100发送控制指令，通过控制转动顶升驱动140实现驱动车轮120转向，通过XY方向驱动车轮120沿着X方向地面导轨111行驶，同时调节X方向驱动制动171扩展X方向打印范围，待超出X方向稳定导轨131的长度时，通过X方向地面导轨扩展连接件113加长X方向地面导轨111，并通过X方向稳定导轨扩展连接件161分别加长下层X方向稳定导轨131和上层X方向稳定导轨131，调节XY方向驱动车轮120沿着加长后的X方向稳定导轨131行驶，同时调节X方向驱动制动171实现X方向打印区域进一步扩大。如此可逐层自适应扩展打印装置在XY平面的打印范围以实现大范围大量实体建(构)筑物的打印施工。

需要说明的是，模块化三轴驱动导向自适应扩展装置100以及实体建筑3D打印装置200均与动力控制系统(图中未画出)通信连接，且动力控制系统均可向XY方向驱动车轮120、转动顶升驱动140、Z方向顶升制动驱动150、X方向驱动制动171、Y方向驱动制动172、Y方向打印头导轨驱动220、X方向打印头驱动制动260发送控制指令，因动力控制系统不在本发明的保护范围内，故对其结构及连接关系不作具体阐述。

本发明的主要优势在于解决采用传统监测手段仅能获取单点数据且可靠性低而不能满足建筑重建测绘要求大范围、快速精确测量等技术难题，建筑重建测绘中传统单点式监测方法存在监测范围小、信息化较低，解决传统建筑重建施工效率及自动化程度低等问题，以及解决传统打印装置在水平面范围不能移动扩展等问题，可大面积、高精度、非接触地快速获取建筑点云数据，可实现建筑快速、高效的自动化建造。

一具体应用实施例中，某历史保护古建筑老化严重，需进行重建，拟采用所开发的系统，进行古建筑测绘和重建施工。三维激光扫描测量子系统示意图见附图2，扫描仪采用Z+F IMAGER 5010C扫描仪，升降平台如图2所示；计算机采用内存为8G，CPU为4核CPU PC；全站仪采用Leica-TM30全站仪；控制站点编号为L1～Li，其中i＝6，控制网扫描路径为逆时针；标靶集为多个自制打印标靶组成，标靶编号为B1～Bk，其中k＝90。数据处理及3D建模子系统中3D扫描数据后处理软件为Z+F IMAGER 5010C扫描仪附属数据处理软件；3D外表面模型重建程序、3D内表面模型重建程序、3D建筑模型重建程序采用Fortran语言编写。3D模型分析及修正子系统中基于FEM的建筑结构力学分析程序和3D模型与3D打印数字模型转化程序采用Fortran语言编写；基于3D打印的缩尺模型修正工具中打印机采用3D Systems CubePro Duo 3D打印机。3D打印实体建筑子系统如附图4所示，包括XYZ三向驱动导向自适应装置以及与驱动导向构件连接的实体建筑3D打印装置，可逐层自适应扩展打印施工实体建筑。

另一具体应用实施例中，某城市综合体施工，拟采用所开发的系统。其打印建造流程如述方法，如此循环逐层向上顶升打印，逐步自适应扩展打印装置在XY平面的打印范围，实现打印范围的三轴自适应扩展，完成大范围大量异形复杂实体建(构)筑物的打印施工。Z方向打印范围扩展如图5和图6所示；Y方向打印范围扩展如图7和图8所示；X方向打印范围扩展如图9和图10所示。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。