一种现场混凝土3D打印设备和建筑施工方法与流程

本发明属于建筑物建造施工设备技术领域，特别是涉及一种现场混凝土3d打印设备，以及利用该设备实现的建筑施工方法。

背景技术：

目前的混凝土3d打印设备均是固定在地面的，3d打印建筑多采用工厂打印构件，现场拼装的方式建造，不仅增加了现场拼装的施工工序，并没有体现出3d打印建筑智慧建造的特点，而且拼装节点的安装在一定程度上影响了建筑物的整体性。如果采用固定在地面的3d打印设备现场原位打印多层建筑，设备的尺寸尤其是竖向高度需要很大，至少要高于打印的建筑物，各个轴向的设备支撑架体尺寸加大，这不仅大大提高了建筑物的制造成本，而且很难控制施工精度，影响建筑物的施工质量。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种现场混凝土3d打印设备和建筑施工方法，以解决现有技术中现场原位打印混凝土3d建筑所使用的3d打印设备尺寸巨大及成本增加的问题，以及设备尺寸巨大导致的施工精度控制低、施工质量差的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种现场混凝土3d打印设备和建筑施工方法，其包括：打印装置、供料系统、打印装置移动系统、打印控制系统、爬升立柱、爬升辅助立柱和爬升动力系统；所述打印装置移动系统安装在爬升立柱上；打印装置安装在打印装置移动系统上；供料系统的供料管连接打印装置的打印头上；打印控制系统用于控制打印装置移动系统和打印头的运行状态；所述爬升立柱与爬升辅助立柱通过爬升动力系统连接；通过辅助立柱固定装置将爬升辅助立柱与建筑结构内设置的预埋件固定连接，或者通过爬升立柱固定装置将爬升立柱与建筑结构内设置的预埋件固定连接。

本发明如上所述的现场混凝土3d打印设备，进一步，所述建筑结构为构造柱或预制楼板，在构造柱和预制楼板内设置预埋件。

本发明如上所述的现场混凝土3d打印设备，进一步，在构造柱设计的安装位置每二层建筑物单层设计高度设置一个构造柱，构造柱在与预制楼板等高的部位设置预埋件，上下相邻的构造柱通过套筒灌浆连接；在预制楼板内设置预埋件。

本发明如上所述的现场混凝土3d打印设备，进一步，所述爬升立柱的高度为建筑物单层设计高度的2.5倍-3倍；爬升辅助立柱的高度低于爬升立柱的高度。

本发明如上所述的现场混凝土3d打印设备，进一步，所述打印装置移动系统包括x轴桁架、y轴桁架、z轴支杆、x轴动力系统、y轴动力系统和z轴动力系统。

本发明如上所述的现场混凝土3d打印设备，进一步，所述爬升动力系统采用齿轮传动方式，所述爬升动力系统包括齿轮驱动电机、驱动齿轮和传动齿条；所述齿轮驱动电机与驱动齿轮连接并固定安装在爬升辅助立柱上，传动齿条固定在爬升立柱上。

本发明如上所述的现场混凝土3d打印设备，进一步，所述爬升动力系统采用丝杠传动方式，所述爬升动力系统包括丝杠驱动电机、电机固定板、丝杠轴和丝杠螺母；丝杠螺母与爬升辅助立柱固定连接；电机固定板与爬升立柱固定连接；电机固定在电机固定板上；丝杠轴一端与丝杠驱动电机连接并穿过电机固定板的圆孔，丝杠插入丝杠螺母。

本发明如上所述的现场混凝土3d打印设备，进一步，所述爬升动力系统采用液压传动方式，所述爬升动力系统包括压杆固定板、液压杆和液压缸；所述液压缸与爬升辅助立柱固定连接；所述液压杆插入液压缸内，液压杆端部与压杆固定板连接，压杆固定板与爬升立柱固定连接。

一种建筑施工方法，利用如上任一项所述的现场混凝土3d打印设备进行施工；包括以下步骤：

步骤一：组装现场混凝土3d打印设备，使爬升立柱的下端面和爬升辅助立柱的下端面平齐，下端面高度为施工正负零点；

步骤二：制备混凝土3d打印材料并输送至供料系统中；

步骤三：开启供料系统进行供料，同时开启打印头的出料口，并通过打印控制系统控制打印头在x轴、y轴、z轴按照设计路径施工3d打印墙体；

步骤四：3d打印墙体至建筑物单层的高度后停止施工并清洗施工设备，待混凝土3d打印材料具有施工强度后安装带预埋件的预制楼板；

步骤五：在安装完成的预制楼板上重复步骤三至步骤五，直至安装完成第二层预制楼板；

步骤六：将辅助爬升立柱通过辅助立柱固定装置与预制楼板的预埋件固定，并通过爬升传动系统将爬升立柱及整体混凝土3d打印设备提升至建筑物单层高度，通过爬升立柱固定装置与预制楼板的预埋件将爬升立柱与预制楼板固定，即实现了混凝土3d打印设备的自爬升功能；

步骤七：重复步骤三至步骤六，直至施工完成第三层预制楼板；

步骤八：解除辅助爬升立柱与预制楼板之间的固定，通过爬升传动系统将辅助爬升立柱提升一层的高度，重复步骤六；

步骤九：重复步骤七至步骤八，完成建筑物的施工。

一种建筑施工方法，利用如上任一项所述的现场混凝土3d打印设备进行施工；包括以下步骤：

步骤一：组装现场混凝土3d打印设备，使爬升立柱的下端面和爬升辅助立柱的下端面平齐，下端面高度为施工正负零点；

步骤二：按照设计图纸安装已经预制成型带有预埋件的构造柱；

步骤三：制备混凝土3d打印材料并输送至供料系统中；

步骤四：开启供料系统进行供料，同时开启打印头的出料口，并通过打印控制系统控制打印头在x轴、y轴、z轴按照设计路径施工3d打印墙体；

步骤五：3d打印墙体至建筑物单层的高度后停止施工并清洗施工设备，待混凝土3d打印材料具有施工强度后安装预制楼板；

步骤六：在安装完成的预制楼板上重复步骤三至步骤五，直至安装完成第二层预制楼板；

步骤七：将爬升辅助立柱通过辅助立柱固定装置与构造柱的预埋件固定，并通过爬升传动系统将爬升立柱及整体混凝土3d打印设备提升至建筑物单层高度，通过爬升立柱固定装置与构造柱的预埋件将爬升立柱与构造柱固定，即实现了混凝土3d打印的自爬升功能；

步骤八：安装上一层的构造柱，并通过钢筋套筒灌浆或其他可靠连接方式将上下两层的构造柱连接固定；

步骤九：重复步骤六，直至施工完成第三层预制楼板；

步骤十：解除辅助爬升立柱与构造柱之间的固定，通过爬升传动系统将辅助爬升立柱提升一层的高度，重复步骤七；

步骤十一：重复步骤八至步骤十，完成建筑物的施工。

本发明设备和方法采用现场原位混凝土3d打印，克服了工厂打印构件现场拼装的3d建筑物整体性差的缺点，提高了施工效率和施工质量，混凝土3d打印设备利用已经施工完成的建筑物采用设备整体爬升技术，解决了现场混凝土3d打印设备尺寸巨大的问题，大大降低了工程成本，提高了施工精度，保证施工质量。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述和/或其他方面的优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明，其中：

图1为本发明一种实施例的现场混凝土3d打印设备示意图；

图2为本发明一种实施例的现场混凝土3d打印设备局部示意图；

图3为本发明一种实施例的y轴桁架、z轴支杆和打印装置示意图；

图4为本发明一种实施例的丝杠传动方式的爬升动力系统示意图；

图5为本发明一种实施例的液压传动方式的爬升动力系统示意图；

图6为一种实施例的爬升立柱、爬升辅助立柱与构造柱连接示意图；

图7为一种实施例的爬升立柱、爬升辅助立柱与预制楼板连接示意图；

图8为本发明一种实施例的现场混凝土3d打印设备施工状态示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、打印装置，2、供料系统，3、爬升辅助立柱，32、辅助立柱固定装置，4、爬升动力系统，41、齿轮驱动电机，42、传动齿条，43、丝杠驱动电机，44、丝杠轴，45、丝杠螺母，46、电机固定板，47、压杆固定板，48、液压杆，49、液压缸，5、爬升立柱，52、过爬升立柱固定装置，6、x轴桁架，62、桁架连接梁，64、x轴齿条，7、y轴桁架，72、y轴齿条，8、x轴动力系统，9、构造柱，10、预制楼板，11、打印头，12、z轴支杆，13、y轴动力系统，14、z轴动力系统，15、3d打印墙体，100、预埋件。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述本发明的现场混凝土3d打印设备和建筑施工方法的实施例。

在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的部分。

图1和图8示出本发明一种实施例的现场混凝土3d打印设备，其包括：打印装置1、供料系统2、打印装置移动系统、打印控制系统、爬升立柱5、爬升辅助立柱3和爬升动力系统4；打印装置移动系统安装在爬升立柱5上；打印装置1安装在打印装置移动系统上；供料系统2的供料管连接打印装置1的打印头11上；打印控制系统用于控制打印装置移动系统和打印头11的运行状态，实现3d打印墙体15的建造；爬升立柱5与爬升辅助立柱3通过爬升动力系统4连接；通过辅助立柱固定装置32将爬升辅助立柱3与建筑结构内设置的预埋件100固定连接，或者通过爬升立柱固定装置52将爬升立柱5与建筑结构内设置的预埋件100固定连接。

如图6所示，建筑结构为构造柱9，在构造柱9设置预埋件100。在构造柱9设计的安装位置每二层建筑物单层设计高度设置一个构造柱9，构造柱9在与预制楼板10等高的部位设置预埋件100，上下相邻的构造柱9通过套筒灌浆连接；

如图7所示，建筑结构为预制楼板10，在预制楼板10内设置预埋件100。

在一种优选的现场混凝土3d打印设备实施例中，爬升立柱5的高度为建筑物单层设计高度的2.5倍-3倍；爬升辅助立柱3的高度低于爬升立柱5的高度。

在一种优选的现场混凝土3d打印设备实施例中，打印装置移动系统包括x轴桁架6、y轴桁架7、z轴支杆12、x轴动力系统8、y轴动力系统和z轴动力系统14。在如图1和图2示出的实施例中，两根平行的x轴桁架6通过桁架连接梁62连接构成矩形结构的整体；y轴桁架7与x轴桁架6垂直可移动连接，x轴动力系统8固定在y轴桁架7上；如图2所示，x轴桁架6上设置x轴齿条64，x轴动力系统8可利用驱动电机和驱动齿轮的形式，固定在y轴桁架7上，利用齿轮驱动x轴齿条64。结合图3所示，y轴桁架7上设置y轴齿条72，y轴动力系统13可利用驱动电机和驱动齿轮的形式，y轴动力系统13固定在安装座上，利用齿轮驱动y轴齿条72。z轴支杆12与y轴桁架7垂直可移动连接，z轴动力系统14通过安装座连接在y轴桁架7上。

在第一种优选的现场混凝土3d打印设备实施例中，如图1所示，爬升动力系统4采用齿轮传动方式，爬升动力系统4包括齿轮驱动电机41、驱动齿轮和传动齿条42；齿轮驱动电机41与驱动齿轮连接并固定安装在爬升辅助立柱3上，传动齿条42固定在爬升立柱5上。

在第二种优选的现场混凝土3d打印设备实施例中，如图4所示，爬升动力系统4采用丝杠传动方式，爬升动力系统4包括丝杠驱动电机43、电机固定板46、丝杠轴44和丝杠螺母45；丝杠螺母45与爬升辅助立柱3固定连接；电机固定板46与爬升立柱5固定连接；电机固定在电机固定板46上；丝杠轴44一端与丝杠驱动电机43连接并穿过电机固定板46的圆孔，丝杠插入丝杠螺母45。

在第三种优选的现场混凝土3d打印设备实施例中，如图5所示，爬升动力系统4采用液压传动方式，爬升动力系统4包括压杆固定板47、液压杆48和液压缸49；液压缸49与爬升辅助立柱3固定连接；液压杆48插入液压缸49内，液压杆48端部与压杆固定板47连接，压杆固定板47与爬升立柱5固定连接。

如图7所示，建筑结构为预制楼板10，在预制楼板10内设置预埋件100。针对这种建筑结构，利用现场混凝土3d打印设备进行混凝土3d打印建筑的建造过程如下：

步骤一：组装现场混凝土3d打印设备，使爬升立柱5的下端面和爬升辅助立柱3的下端面平齐，下端面高度为施工正负零点；

步骤二：制备混凝土3d打印材料并输送至供料系统2中；

步骤三：开启供料系统2进行供料，同时开启打印头的出料口，并通过打印控制系统控制打印头在x轴、y轴、z轴按照设计路径施工3d打印墙体15；

步骤四：3d打印墙体15至建筑物单层的高度后停止施工并清洗施工设备，待混凝土3d打印材料具有施工强度后安装带预埋件100的预制楼板10；

步骤五：在安装完成的预制楼板10上重复步骤三至步骤五，直至安装完成第二层预制楼板10；

步骤六：将辅助爬升立柱3通过辅助立柱固定装置32与预制楼板10的预埋件100固定，并通过爬升传动系统4将爬升立柱5及整体混凝土3d打印设备提升至建筑物单层高度，通过爬升立柱固定装置52与预制楼板10的预埋件100将爬升立柱5与预制楼板10固定，即实现了混凝土3d打印设备的自爬升功能；

步骤七：重复步骤三至步骤六，直至施工完成第三层预制楼板10；

步骤八：解除辅助爬升立柱3与预制楼板10之间的固定，通过爬升传动系统4将辅助爬升立柱3提升一层的高度，重复步骤六；

步骤九：重复步骤七至步骤八，完成建筑物的施工。

如图6所示，建筑结构为构造柱9，在构造柱9设置预埋件100。在构造柱9设计的安装位置每二层建筑物单层设计高度设置一个构造柱9，构造柱9在与预制楼板10等高的部位设置预埋件100，上下相邻的构造柱9通过套筒灌浆连接；针对这种建筑结构，利用现场混凝土3d打印设备进行混凝土3d打印建筑的建造过程如下：

步骤一：组装现场混凝土3d打印设备，使爬升立柱5的下端面和爬升辅助立柱3的下端面平齐，下端面高度为施工正负零点；

步骤二：按照设计图纸安装已经预制成型带有预埋件100的构造柱9；

步骤三：制备混凝土3d打印材料并输送至供料系统2中；

步骤四：开启供料系统2进行供料，同时开启打印头11的出料口，并通过打印控制系统控制打印头11在x轴、y轴、z轴按照设计路径施工3d打印墙体15；

步骤五：3d打印墙体15至建筑物单层的高度后停止施工并清洗施工设备，待混凝土3d打印材料具有施工强度后安装预制楼板10；

步骤六：在安装完成的预制楼板10上重复步骤三至步骤五，直至安装完成第二层预制楼板10；

步骤七：将爬升辅助立柱3通过辅助立柱固定装置32与构造柱9的预埋件100固定，并通过爬升传动系统4将爬升立柱5及整体混凝土3d打印设备提升至建筑物单层高度，通过爬升立柱固定装置52与构造柱9的预埋件100将爬升立柱5与构造柱9固定，即实现了混凝土3d打印的自爬升功能；

步骤八：安装上一层的构造柱9，并通过钢筋套筒灌浆或其他可靠连接方式将上下两层的构造柱9连接固定；

步骤九：重复步骤六，直至施工完成第三层预制楼板10；

步骤十：解除辅助爬升立柱3与构造柱9之间的固定，通过爬升传动系统4将辅助爬升立柱3提升一层的高度，重复步骤七；

步骤十一：重复步骤八至步骤十，完成建筑物的施工。

本发明建筑施工方法通过爬升立柱和辅助爬升立柱可分别与构造柱或预制楼板固定的特点，通过爬升传动系统的控制可根据建筑施工高度提升混凝土3d打印设备的施工高度，从而实现现场多层3d打印建筑的施工。因此，现场原位打印混凝土3d打印建筑，可以体现出3d打印建筑免模板、施工效率高、智慧建造的特点，保证了建筑物的整体性，减小设备尺寸，能够提高施工精度，保证施工质量，降低施工成本。

上述披露的各技术特征并不限于已披露的与其它特征的组合，本领域技术人员还可根据发明之目的进行各技术特征之间的其它组合，以实现本发明之目的为准。