一种3D打印装配式模块化建筑方法

摘要

本发明提出了一种3D打印装配式模块化建筑方法，涉及建筑技术领域，其用于解决减少现有技术中的打印工序繁琐复杂以及建筑物的受力和抗震能力不足的技术问题。本发明的3D打印装配式模块化建筑方法，包括将中间模块旋转90°放置获得装配式模块的步骤，由于装配式模块是将中间模块旋转了90°而得到的，因此在将中间模块旋转后，原本竖直的两个墙面变为水平墙面，另外的两个墙面则变成支撑墙面，因此使整个建筑物的受力变成整体受力，从而形成的建筑物能够更加稳固并能抵抗地震等自安然灾害的冲击。

权利要求

1.一种3D打印装配式模块化建筑方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S10，采用3D打印设备进行混凝土打印，获得中间模块与连接模块；

步骤S20：将所述中间模块在竖直平面内旋转90°放置，获得装配式模块；

步骤S30：对所述装配式模块以及所述连接模块进行组装形成装配式建筑物；

步骤S10包括以下子步骤：

步骤S11，采用支撑物构建建筑物的外形；

步骤S12，采用3D打印设备在所述支撑物上以逐层垒设叠加混凝土的方式不间断地形成所述中间模块的四个面；所述中间模块的四个面分别为建筑物的顶面、底面、第一墙面以及第二墙面，所述顶面、底面、第一墙面以及第二墙面相互连接形成环状结构；

所述顶面、底面、第一墙面以及第二墙面为具有厚度的实心结构体；

步骤S13：在所述中间模块上相对的两个面上构建受力部，完成中间模块的构建；

步骤S14：采用3D打印设备形成至少两个连接模块。

2.根据权利要求1所述的3D打印装配式模块化建筑方法，其特征在于，步骤S14中形成的两个所述连接模块分别为建筑物的第三墙面以及第四墙面。

3.根据权利要求1所述的3D打印装配式模块化建筑方法，其特征在于，步骤S11中所述支撑物为钢筋。

4.根据权利要求1所述的3D打印装配式模块化建筑方法，其特征在于，步骤S13中所述受力部为吊钩。

5.根据权利要求1所述的3D打印装配式模块化建筑方法，其特征在于，步骤S12中形成的所述中间模块具有污水循环处理系统。

6.根据权利要求1所述的3D打印装配式模块化建筑方法，其特征在于，步骤S20包括以下子步骤：步骤S21，将升降装置分别与步骤S13中形成的受力部相连；

步骤S22：移动升降装置，使所述中间模块在竖直平面内旋转90度后放置，获得装配式模块。

7.根据权利要求6所述的3D打印装配式模块化建筑方法，其特征在于，步骤S21中，不同的升降装置分别与不在同一高度平面内的受力部相连。

8.根据权利要求1所述的3D打印装配式模块化建筑方法，其特征在于，步骤S30包括以下子步骤：步骤S31：在工厂将所述装配式模块以及所述连接模块进行拼装调试后，分别将每件所述装配式模块以及所述连接模块运送至施工工地现场；

步骤S32：在施工工地现场对所述装配式模块和所述连接模块重新组装，形成装配式建筑物。

说明书

一种3D打印装配式模块化建筑方法

技术领域

[0001] 本发明涉及建筑技术领域，具体地说是一种3D打印装配式模块化建筑方法。

背景技术

[0002] 3D打印在建筑行业的发展越来越快，通过3D打印能够构造混凝土的建筑物，较之传统的施工工艺，在降低施工污染和降低劳动强度方面都具有显著的优势。目前的3D打印方式一般为先打印建筑物的底面（即基础、地基），然后在底面上形成墙体，然后在墙体上形成顶面（屋顶），因此形成建筑物时，至少需要3次打印工序，打印较为繁琐；并且采用这种方式形成的建筑物，其顶部、墙体和底面由于是分开打印后再进行组装的，因此这三者之间并不是一个整体，因而整体建筑物在受力和抗震方面并不具备明显的好处。

发明内容

[0003] 本发明提供一种3D打印装配式模块化建筑方法，用于解决减少现有技术中的打印工序繁琐复杂以及建筑物的受力和抗震能力不足的技术问题。

[0004] 本发明的3D打印装配式模块化建筑方法，包括以下步骤：

[0005] 步骤S10，采用3D打印设备进行混凝土打印，获得中间模块与连接模块；

[0006] 步骤S20：将所述中间模块旋转90°放置，获得装配式模块；

[0007] 步骤S30：对所述装配式模块以及所述连接模块进行组装形成装配式建筑物。

[0008] 在一个实施方式中，步骤S10包括以下子步骤：

[0009] 步骤S11，采用支撑物构建建筑物的外形；

[0010] 步骤S12，采用3D打印设备在所述支撑物上逐层垒设叠加混凝土，不间断地形成所述中间模块的四个面；

[0011] 步骤S13：在所述中间模块上相对的两个面上构建受力部，完成中间模块的构建；

[0012] 步骤S14：采用3D打印设备形成至少两个连接模块。

[0013] 在一个实施方式中，步骤S12中形成的所述中间模块的四个面分别为建筑物的顶面、底面、第一墙面以及第二墙面。

[0014] 在一个实施方式中，步骤S14中形成的两个所述连接模块分别为建筑物的第三墙面以及第四墙面。

[0015] 在一个实施方式中，步骤S11中所述支撑物为钢筋。

[0016] 在一个实施方式中，步骤S13中所述受力部为吊钩。

[0017] 在一个实施方式中，步骤S12中形成的所述中间模块具有污水循环处理系统。

[0018] 在一个实施方式中，步骤S20包括以下子步骤：

[0019] 步骤S21，将升降装置分别与步骤S13中形成的受力部相连；

[0020] 步骤S22：移动升降装置，使所述中间模块在竖直平面内旋转90度后放置，获得装配式模块。

[0021] 在一个实施方式中，步骤S21中，不同的升降装置分别与不在同一高度平面内的受力部相连。

[0022] 在一个实施方式中，步骤S30包括以下子步骤：

[0023] 步骤S31：在工厂将所述装配式模块以及所述连接模块进行拼装调试后，分别将每件所述装配式模块以及所述连接模块运送至施工工地现场；

[0024] 步骤S32：在施工工地现场对所述装配式模块和所述连接模块重新组装，形成装配式建筑物。

[0025] 与现有技术相比，本发明的3D打印装配式模块化建筑方法，其优点在于：

[0026] （1）本发明形成建筑物的装配式模块是将中间模块旋转了90°而得到的，因此在将中间模块旋转后，原本竖直的两个墙面变为水平墙面，另外的两个墙面则变成支撑墙面，因此使整个建筑物的受力变成整体受力，从而形成的建筑物能够更加稳固并能抵抗地震等自安然灾害的冲击。

[0027] （2）由于现有技术中形成建筑物时，顶面、底面以及墙体只能分开进行，因此至少需要3次打印工序；而本发明通过将中间模块旋转90度，使其四个面分别成为建筑物的顶面、底面、第一墙面和第二墙面，从而通过一次打印就可形成建筑物的顶面、底面和墙体，从而节省了大量的工序和劳动。

[0028] 上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能达到本发明的目的。

附图说明

[0029] 在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

[0030] 图1是本发明的实施例中形成中间模块的过程示意图；

[0031] 图2是图1所示的支撑物的结构示意图；

[0032] 图3是图1所示的中间模块的结构示意图；

[0033] 图4本发明的实施例中旋转中间模块的过程示意图；

[0034] 图5是本发明的实施例中中间模块旋转了45度的示意图；

[0035] 图6是本发明的实施例中中间模块旋转了90度的示意图；

[0036] 图7是本发明的实施例中对装配式模块进行组装的示意图；

[0037] 图8是本发明的另一实施例中对装配式模块进行组装的示意图；

[0038] 图9是本发明的又一实施例中对装配式模块进行组装的示意图；

[0039] 图10是本发明的实施例中3D打印设备立体结构示意图。

[0040] 在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。

[0041] 图中，各附图标记表示：

[0042] 100-3D打印设备；110-混凝土卸料组件；111a、111b-卸料口；112a、112b-卸料管；113-振捣器；

[0043] 1-桁车本体；2-行走机构；3-驱动机构；5-调节装置；6-齿轮；

[0044] 200-支撑物；210-圆弧角钢筋；220-钢筋；

[0045] 300-中间模块；310a、310b、310c、310d -受力部；

[0046] 400-装配式模块；500a、500b-升降装置。

具体实施方式

[0047] 以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

[0048] 如图1-9所示，本发明的3D打印装配式模块化建筑方法，其发明构思是第一：在工厂采用3D打印设备来构建建筑模块，并且经过3D打印设备打印好的建筑模块并不是直接进行使用，而是将其旋转90度后形成装配式模块再进行使用。该打印好的模块经过旋转，使其原本竖直的两个面分别变为水平的面，即形成建筑物的顶面和底面，而这两个面之间的两个面则成为墙体，这样做的好处一是能够节省很多工序，因为经过旋转后的模块其顶面、底面以及墙体能够一次成型；二是这样形成的顶面、底面以及墙体是一个整体，因此使建筑物的受力和抗震的能力大大提高。第二：上述的形成中间模块和装配式模块的工作均在工厂进行，同时在工厂内完成预制、调试等一系列工作，随后将这些预制好的模块运送到现场进行组装，能够符合节能环保的要求，还能大量节省现场的的人力、物力和时间；同时，基于本发明的方法形成的建筑物在拆除时是组装的逆过程，将各个模块拆除后再运回工厂进行环保拆除再利用，因此现场没有任何建筑垃圾，其节能性和环保性都是现有的施工方法无法相比的。

[0049] 在一个具体的实施例中，本发明的方法包括以下步骤：

[0050] 第一步，采用3D打印设备100进行混凝土打印，获得中间模块300与连接模块。

[0051] 具体来说，首先采用支撑物200构建建筑物的外形。根据建筑物（如建筑物）的需求图，设计需要打印的建筑物的图纸。此时注意，需要打印的建筑物是将实际需要的建筑物事先旋转了90度后的建筑结构。换言之，在设计之初就已经将实际需要的建筑物进行了旋转，然后将经过旋转的建筑物作为需要打印的建筑物的外形来进行打印，那么当打印完成后再将其沿相反方向旋转即可得到与实际需要的建筑物完全一致的建筑物。

[0052] 另外，还在需要打印的建筑物上预留或预埋排水、给水或电线等附件。然后沿通过图1所示3D打印设备100进行打印。

[0053] 打印时，如图2所示，沿3D打印设备100的混凝土卸料组件110的行走轨迹布置并绑扎支撑物200。其中，支撑物200可以是钢筋220。

[0054] 绑扎完成后检验绑扎钢筋220的几何尺寸和预先设计的需要打印的建筑物的图纸尺寸是否一致。尤其是，建筑物拐角处的圆弧钢筋210的角度是否和需要打印的建筑物的图纸中的角度相同，以保证正确的建筑物的外形。

[0055] 在采用支撑物200构件建筑物的外形时，由于需要将最终形成的中间模块300旋转90度，因此需要考虑将实际需要的建筑物中的水平钢筋和竖直钢筋进行互换，从而将打印后的建筑物旋转后钢筋的方向正好与实际需要的建筑物中要求的方向一致，以保证建筑物中钢筋能够正确受力。

[0056] 其次，采用3D打印设备100在支撑物200上逐层垒设叠加混凝土，不间断地形成中间模块300的四个面。

[0057] 首先对本发明采用的3D打印设备100进行说明。

[0058] 如图10所示，本发明的3D打印设备100包括桁车本体1，分别设置在桁车本体1上的驱动机构3、与驱动机构3连接的行走机构2和设置在行走机构2上的混凝土卸料组件110。使用时，行走机构2带动混凝土卸料组件110按设定的轨迹行走。在行走过程中，混凝土卸料组件110将混凝土卸下，完成建筑物的构建。在使用3D建筑物打印机打印混凝土之前，可以先在混凝土卸料组件110的行走轨迹上布置钢筋220作为墙体骨架，通过混凝土和钢筋220来构建建筑物的墙体，以提高建筑物的强度和承力性能。通过3D建筑物打印机便于实现建筑物的自动打印，提高建筑物建设时的自动化程度。

[0059] 进一步地，混凝土卸料组件110包括设有卸料口111a、111b的卸料管112a、112b和用于对卸料管112a、112b中的混凝土进行振捣的振捣器113。其中，在卸料管112a、112b中未设置用于封堵混凝土的闸门，而是将卸料口的口径设置在一定小的范围内，当将混凝土放置在卸料管112a、112b中时，混凝土受卸料口和振捣器113的振捣棒的限制而不会自动掉落。当需要将混凝土从卸料管112a、112b中卸出时，启动振捣器113，并通过振捣器113振捣混凝土，使得混凝土在振捣器113的振捣下从卸料口卸出。在该情况下，混凝土的成分可以包括砂子、石子、水泥和水，混凝土的粘稠度可以与实际的建筑物建设过程中使用的混凝土的粘稠度相同。当将该粘稠度的混凝土放置在卸料管112a、112b中时，混凝土需要在振捣器113的振捣下从卸料口流出。通过上述方式设置，可以减少混凝土卸出量不均匀的情况发生，结构简单，便于实现自动化控制，使用方便，省事省力。

[0060] 卸料管112a、112b的上部可以设置为直筒状，下部为锥形筒状。通过将管路固定在桁车本体1上而实现卸料管112a、112b的固定。两个卸料管112a、112b的顶端可以通过例如一个调节装置5固定在行走机构2上，以通过调节装置5调节两个卸料管112a、112b之间的距离。在卸料管112a、112b的底部设置有一个卸料口111a、111b，在卸料管112a、112b中分别设置一个振捣器113。通过上述方式设置，可以减少各振捣器113之间的干涉，提高混凝土的卸出量的均匀性，从而提高建筑物墙体的平整性，而且结构简单，方便设置。

[0061] 当行走机构2沿第一方向X行走时，两个卸料口沿垂直于第一方向X的第二方向Y并排设置。当行走机构2沿第二方向Y行走时，两个卸料口111a、111b沿垂直于第二方向Y的第一方向X并排设置。在使用时，两个卸料口111a、111b分别位于钢筋220的两侧，以可以通过混凝土包裹钢筋220，防止混凝土和钢筋220分离。

[0062] 此外，本发明所述的3D打印设备100能够打印带有圆弧角的建筑物。具体地，圆弧角的形成过程如下：由于两个卸料口111a、111b分别位于钢筋220的两侧，因此两侧卸料口111a、111b卸出的混凝土包裹位于卸料口111a、111b中间的钢筋220构成了墙体的厚度。由每次打印的墙体具有厚度（即两个卸料口111a、111b之间的距离）与高度（即每层的层高），因此以垂直于地面的平面对其进行剖切，可得到卸出料成型的矩形横截面，换言之，每次打印时，卸出的料是一个具有矩形截面的体。为保证沿弧形轨迹打印时卸出料的矩形横截面成型良好，又要保证弧形轨迹上的钢筋220始终位于两个卸料口111a、111b中间，需要在弧形墙体打印过程中调整沿建筑物横轴（X）、纵轴（Y）两个方向行走速率的同时，同步通过齿轮6来调整卸料口111a、111b出料方向的角度以保持卸料口111a、111b出料方向和钢筋220轨迹弧形角度始终一致。两个卸料口111a、111b始终保持位于弧形轨迹钢筋220两侧呈对称布置。使沿建筑物坐标的横轴X向沿建筑物坐标的纵轴Y过渡过程中实现连续流畅弧形墙体打印，不会出现打印间断。

[0063] 因此，本申请中产生圆弧角是在：两个卸料口111a、111b以及卸料管112a、112b与管路之间通过齿轮6连接而能够进行旋转这两个技术特征之间的联合作用下形成的。

[0064] 将设计的需要打印的建筑物的图纸输入电脑的控制系统，设好零点。零点是根据建筑物的基准点来计算设计的，也是打印的开始点。打印前，设置打印机小于1米/分钟速度沿钢筋220轮廓试运行一圈，同时检查钢筋220的几何尺寸和图纸是否一致，并再次检查钢筋220的垂直度。检查无误后，把打印机卸料口111a、111b的零点和建筑物轮廓的零点对齐。把钢筋220置于两个卸料口111a、111b的中间位置，给两边的卸料管112a、112b加注好混凝土，在管内振捣器113的作用下，混凝土会经过卸料口打印出一次成型带钢筋220的混凝土墙体。

[0065] 末端控制系统按预设图形数据指挥打印机各个位置的伺服电机运行，来保证打印机按预设图形运行。观察打印机卸料口的出浆成型状态，随时调整打印机运行速度，确保打印墙体的外观和密实度。当一圈打印完成后，即完成了打印建筑物的一个切片（一层）。一个切片打印完成后，打印机会自动回到零点，自动提高卸料管112a、112b到所需高度，依次循环往复，即完成了中间模块300的3D打印。

[0066] 如图3所示，经过打印后形成的中间模块300具有连续地四个面，即图3所示的A、B、C和D。进一步地，步骤S12中形成的中间模块的四个面分别为建筑物的顶面、底面、第一墙面以及第二墙面。换言之，由于中间模块300是根据事先将实际需要的建筑物进行旋转后打印获得的建筑外形，因此图3中所示的中间模块300的D面和B面为实际需要的建筑物的顶面和底面，A面和C面为实际需要的建筑物的第一墙面和第二墙面。

[0067] 从图3可以看出，打印后的中间模块300的四个面为一个整体，四个面之间的过渡采用圆弧角过渡。在现有技术中，按照图纸进行打印后，虽然也能形成如图3所示的建筑外形，但是由于现有技术中打印形成的建筑物直接投入使用，那么其四个面是各自受力。而本发明中，形成图3所示的中间模块300后，并不是将其直接投入使用，而是将其旋转90度后形成装配式模块400才投入使用，装配式模块400如图6所示，原来在中间模块300中的D面和B面分别成为了顶面和底面，这两个面分别与C面和A面为一个整体，因此其形成的建筑物在受力时是整体受力，因此其受力能力更强；更进一步地，由于这四个面之间采用了圆弧角过渡的方式，使力能够通过圆弧角均匀地被传递，因此其形成的建筑物抗震能力更好。

[0068] 再次，由于需要对中间模块300进行旋转，因此在构建中间模块300时，需要在中间模块300上相对的两个面（如B面和D面）上构建受力部310a、310b、310c和310d，从而完成中间模块300的构建。

[0069] 如图3所示的实施例中，在B面的不同高度处分别设置有受力部310b和310d，并且在同一个高度处也设置有两个受力部。同样地，在D面上设置有受力部310a和310c。

[0070] 进一步地，上述的受力部310a、310b、310c和310d为吊钩。在形成中间模块300时通过合理的计算可以采用预留或预埋的方式形成受力部。

[0071] 需要说明的是，上述形成的中间模块300上已经为门、窗等必要的部件预留了开口，因此只需在现场将上述必要的部件进行装配即可。

[0072] 最后，采用3D打印设备形成至少两个连接模块。其中，两个连接模块分别为建筑物的第三墙面以及第四墙面。连接模块的构建方式与中间模块300的构建方式相同，在此不再赘述。

[0073] 在一个实施例中，通过打印形成的中间模块300具有污水循环处理系统，其中可以将污水循环处理系统安装到中间模块300中，可以通过3D打印形成一个小的污水处理循环系统，从而解决传统建筑中存在的很多施工难题。

[0074] 第二步，将中间模块300旋转90°放置，获得装配式模块400。

[0075] 具体地，首先将升降装置500a、500b分别与上述步骤中形成的受力部相连。在连接时，将两个升降装置500a、500b分别与中间模块300的相对的两个面上的受力部相连，并且分别与两个面上的不在同一高度平面内的两个受力部相连。

[0076] 如图4所示的实施例中，升降装置500a与中间模块300的D面上的受力部310c相连，升降装置500b与中间模块300的B面上的受力部310b相连，以保证中间模块300受力均匀。

[0077] 其次，如图5和6所示，移动升降装置500a、500b，使中间模块300在竖直平面内旋转90度，获得装配式模块400。

[0078] 在开始提升中间模块300时，升降装置500a、500b同时提升中间模块300，待上升到一定高度时，升降装置500a继续上升，升降装置500b则缓慢下降，从而使中间模块300开始倾斜直至完全旋转90度，获得装配式模块400。

[0079] 第三步，对装配式模块400以及连接模块进行组装形成装配式建筑物。

[0080] 具体地，首先在工厂将装配式模块400以及连接模块进行拼装调试后，分别将每件装配式模块400以及连接模块运送至施工工地现场；其次，在施工工地现场对装配式模块400和连接模块（未图示）重新组装，形成装配式建筑物。

[0081] 需要说明的是，上述连接部件可以是在装配模块400的最外侧，可也是在两个装配模块400之间，可以根据需要进行组装。

[0082] 如图7-9所示，可以按照需求对不同的装配式模块400进行组装，通过不同的组装方式。如图7所示，将两个装配式模块400以对其的方式叠加形成两层建筑物；如图8所示，将两个装配式模块400以相互错开的方式叠加形成两层的建筑物，能够获得更大的空间；如图9所示，每层的装配式模块400两两组合，上下两层的装配式模块400相互对齐或者相互错开，在错开的位置形成的空间可以是例如走廊、过道等建筑结构，这种装配式模块400相互错开能够再利用空间的同时节省用户的成本。

[0083] 也就是说，上述步骤中形成中间模块300和装配式模块400的工作均在工厂进行，同时在工厂内完成预制、调试等一系列工作，能够形成工厂化流水线生产，为未来建筑行业装配式、功能模块化生产奠定了基础。将这些预制好的模块运送到现场进行组装，能够符合节能环保的要求，还能大量节省现场的的人力、物力和时间；同时，基于本发明的方法形成的建筑物在拆除时是组装的逆过程，将各个模块拆除后再运回工厂进行环保拆除再利用，因此现场没有任何建筑垃圾，其节能性和环保性都是现有的施工方法无法相比的。

[0084] 综上所述，本发明的3D打印装配式模块化建筑方法，由于将打印形成的模块旋转90度后再投入使用，使其使用功能和使用的效果发生了改变，进而使整体建筑的受力形式和功能都发生了变化，使建筑物的强度得到了提升；此外，在打印时底面（基础）、墙体和屋顶能够一次打印成型，用此方法可以在诸如桥梁建筑、园林绿化、水上建筑、海岛建设等很多领域发挥它的优势。

[0085] 虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。