一种3D打印大跨度结构的方法及其打印结构技术

本发明专利技术提供了一种3D打印大跨度结构的方法及其打印结构，包括模型创建步骤：建立大跨度混凝土构件数字模型，并得到空间曲面模型；获取力流曲线并转化为具有厚度与高度的结构空间网架模型；对空间曲面模型设置给定的屋面打印厚度，获得屋面表皮模型，与结构空间网架模型整合形成复合整体结构模型；3D打印步骤：提取结构空间网架模型和屋面表皮模型；采用混凝土进行网架轮廓的3D打印，在网架轮廓中浇筑UHPC获得网架；采用混凝土对屋面表皮模型进行3D打印获得屋面。本发明专利技术通过3D打印主要结构轮廓，然后在结构中浇筑超高性能混凝土的方式，解决了超高性能混凝土可打印性能较弱的问题。同时也降低了大跨度混凝土结构的材料用量和结构自重。结构自重。结构自重。

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印大跨度结构的方法及其打印结构


[0001]本专利技术属于建筑物建造施工
，涉及一种借助超高性能混凝土实现3D打印大跨度结构构件的方法及其打印结构。

技术介绍

[0002]随着3D打印混凝土技术的发展，行业内出现了越来越多的3D打印方式，例如变曲面打印、间层打印的方法。这些新的方法能够提升3D打印结构在路径生成上的合理性，实现更加复杂的几何形态。但由于3D打印混凝土领域较常用的打印材料硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和地聚物水泥均有抗拉性能上的限制，即便这些材料能够打印出复杂的形态，但在完成大跨度的横向结构时，由于材料的限制，完成的结构尺寸仍有局限。对于当前的3D打印技术改良手段是采用超高性能混凝土(UHPC)，或者通常还需要在打印过程中加入钢筋才能够满足横向大跨结构的受力需求。
[0003]上述方法往往存在以下问题：
[0004]一、材料限制：传统混凝土这些材料具备较好的可加工性，即新鲜状态下流动性好，硬化过程具备足够的支撑能力，因而适合用于3D打印技术中。但这些材料都仅具有较好的抗压性能，而不具备足够的抗拉性能，在实现大跨度的横向构件(如房梁、屋顶、顶棚)时，采用这些材料并无法满足设计所需的结构要求。
[0005]二、人力投入：目前针对3D打印横向结构的施工方法主要有两种，一种是通过3D打印结构外壳，然后在结构中插入钢筋笼，并对内部空腔进行浇筑。另一种是采用后张拉的方式，将大跨结构分成多段打印，然后用贯通的钢筋串联并拉紧固定，从而将钢筋的预应力转化为压力，实现结构强化。但这些方法都涉及了绑扎和固定钢筋的繁复工序，需要投入大量人力参与，这极大地限制了3D打印技术在建筑领域的应用。
[0006]三、高性能材料的可打印性问题：超高性能混凝土(UHPC)是一种机械性能和耐久性都优于传统混凝土的材料，在3D打印领域中具有较大应用潜力。但这种材料的局限性在于：首先，新拌UHPC的流动性较强，因此从打印头挤出后尚不具备足够的粘附力和成型能力。其次，UHPC中的纤维含量高于常用于3D打印的硅酸盐水泥，而且均为钢纤维，所以不便于在泵送系统和管道系统中运输。再者，钢纤维的硬度和韧度较高，所以在挤出后无法分布均匀，且容易暴露于表面，这既影响了打印效果，也折损了结构性能。最后，目前对于UHPC可打印性的研究多停留在实验室阶段，还没有有效的方法应用在实际工程中。
[0007]因此，如何提供一种将传统混凝土与UHPC相结合，通过3D打印的方式无模建造复杂形体的大跨度结构的方法及其打印结构是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0008]有鉴于此，本专利技术提出了一种3D打印大跨度结构的方法及其打印结构，解决现有技术中的技术问题。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0010]本专利技术公开了一种3D打印大跨度结构的方法，包括模型创建步骤和3D打印步骤：
[0011]模型创建步骤：
[0012]S11：建立大跨度混凝土构件数字模型，并得到空间曲面模型；
[0013]S12：获取空间曲面模型的力流曲线；
[0014]S13：将力流曲线进行偏移操作转化为具有厚度与高度的结构空间网架模型；
[0015]S14：对空间曲面模型设置给定的屋面打印厚度，获得屋面表皮模型，与所述结构空间网架模型进行布尔并集运算，形成复合整体结构模型；
[0016]S15：导出所述复合整体结构模型。
[0017]3D打印步骤：
[0018]S21：提取复合整体结构模型中的结构空间网架模型和屋面表皮模型；
[0019]S22：根据结构空间网架模型生成对应的打印线，采用混凝土进行网架轮廓的3D打印，在网架轮廓中浇筑UHPC，并等待材料固化获得网架，进入S24；
[0020]S23：根据屋面表皮模型生成对应的打印线，采用混凝土对屋面表皮模型进行3D打印，并等待材料固化获得屋面，进入S24；
[0021]S24：将3D打印的所述屋面和所述网架进行组装。
[0022]优选的，所述S12包括：
[0023]根据空间曲面模型的结构受力信息，获取构件的力流起点位置及荷载。
[0024]优选的，所述载荷包括构件自重的重力荷载；
[0025]或，包括构件自重的重力荷载和集中荷载，并获取集中荷载受力点，与力流起点位置及荷载共同作为计算力流曲线的输入。
[0026]优选的，所述S13包括：
[0027]S131：按照固定步长提取所述力流曲线，获得用于建模的有效曲线；
[0028]S132：将所述有效曲线进行水平方向的偏移，然后对偏移后的曲线进行垂直方向的挤出，从而将力流曲线转化为具有厚度与高度的结构空间网架模型。
[0029]优选的，所述S15之前还包括：对所述复合整体结构模型进行有限元分析，判断是否满足受力要求；若是，则进入S15；若否，则调整结构空间网架模型参数后重复执行此步骤。
[0030]优选的，所述S15中对所述复合整体结构模型进行有限元分析包括：有限元分析的输入包括构件的力流起点位置、荷载以及UHPC的受力特性；有限元分析计算每个网格面所受的应力，并以该应力是否超过结构所能承载的最大应力来判断结构是否失效；其中，UHPC用于浇筑所述结构空间网架，所述网格面为复合整体结构模型经转化得到的Mesh面。
[0031]优选的，所述S15中调整结构空间网架模型参数包括：增加结构空间网架模型的厚度、高度，或者通过减小固定步长来增加有效曲线的密度。
[0032]优选的，所述S22之前还包括：根据所需结构空间网架模型厚度和屋面表皮模型形式加载集成式构件，形成相应的组合节点，包括排水构件、保温构件、布线构件中的一种或多种；
[0033]在网架轮廓中浇筑UHPC之前，在所述网架轮廓中预埋结构所需的集成式构件。
[0034]优选的，所述S23包括判断屋面表皮模型是否需要分块打印的步骤，若是，则进入S232；若否，则进入S231：
[0035]S231：对屋面表皮模型进行分块，使每个分块的尺寸都小于3D打印混凝土设备可打印的最大尺寸与可运输最大尺寸中相对小的值，然后进入S232。
[0036]S232：利用曲面分层的方法，将屋面表皮模型进行切分，生成对应的打印线，导入打印设备中。
[0037]本专利技术还公开了一种打印结构，所述打印结构按照所述的3D打印大跨度结构的方法建造获得。
[0038]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术通过结合传统混凝土(硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、地聚物水泥)的可打印性与超高性能混凝土的结构特性，通过3D打印的方式无模建造复杂形体的大跨度结构构件，本专利技术的有益效果包括：
[0039](1)减少了建筑建造过程当中对模板和钢筋的使用，降低了建筑全生命周期的碳排放。
[0040](2)本专利技术通过3D打印普通混凝土、然后浇筑UHPC的方法，使得大跨度的复杂曲面即具备了可打印性，也通过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D打印大跨度结构的方法，其特征在于，包括模型创建步骤和3D打印步骤：模型创建步骤：S11：建立大跨度混凝土构件数字模型，并得到空间曲面模型；S12：获取空间曲面模型的力流曲线；S13：将力流曲线进行偏移操作转化为具有厚度与高度的结构空间网架模型；S14：对空间曲面模型设置给定的屋面打印厚度，获得屋面表皮模型，与所述结构空间网架模型进行布尔并集运算，形成复合整体结构模型；S15：导出所述复合整体结构模型；3D打印步骤：S21：提取复合整体结构模型中的结构空间网架模型和屋面表皮模型；S22：根据结构空间网架模型生成对应的打印线，采用混凝土进行网架轮廓的3D打印，在网架轮廓中浇筑UHPC，并等待材料固化获得网架，进入S24；S23：根据屋面表皮模型生成对应的打印线，采用混凝土对屋面表皮模型进行3D打印，并等待材料固化获得屋面，进入S24；S24：将3D打印的所述屋面和所述网架进行组装。2.根据权利要求1所述的3D打印大跨度结构的方法，其特征在于，所述S12包括：根据空间曲面模型的结构受力信息，获取构件的力流起点位置及荷载。3.根据权利要求2所述的3D打印大跨度结构的方法，其特征在于，所述载荷包括构件自重的重力荷载；或，包括构件自重的重力荷载和集中荷载，并获取集中荷载受力点，与力流起点位置及荷载共同作为计算力流曲线的输入。4.根据权利要求1所述的3D打印大跨度结构的方法，其特征在于，所述S13包括：S131：按照固定步长提取所述力流曲线，获得用于建模的有效曲线；S132：将所述有效曲线进行水平方向的偏移，然后对偏移后的曲线进行垂直方向的挤出，从而将力流曲线转化为具有厚度与高度的结构空间网架模型。5.根据权利要求1所述的3D打印大跨度结构的方法，其特征在于，所述S15之前还包括：对所述复...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐卫国，
申请(专利权)人：无锡荷清数字建筑科技有限公司，
类型：发明
国别省市：