本发明公开了一种掘进式混凝土结构离心智能建造设备：推进掘进装置，对岩石、地基掘进施工，并对碎石、砂料、土料、水分进行收集；离心筛分装置，对收集进入的碎石、砂料、土料及水分进行离心筛分，分类收集；智能配料装置，对分类的碎石、砂料、土料及水分进行质量和细度配合，加入胶凝材料、辅料、外加剂和激发剂并搅拌混合得到拌和湿料；离心打印装置，对拌和湿料进行泵送挤出，利用离心旋转外筒打印密实成型；智能配筋装置，在离心打印过程中，采用挂壁铺设和定位插筋的方式一体化整体配筋。该设备可以实现地下、水下和极端建造环境的封闭式增材智能混凝土结构建造，解决了开放式增材制造技术工程应用范围不足的技术困境。
1.一种掘进式混凝土结构离心智能建造设备，其特征在于，所述设备包括：
推进掘进装置，对岩石、地基掘进施工，并对碎石、砂料、土料及水分进行收集；
离心筛分装置，对收集进入的碎石、砂料、土料及水分进行离心筛分，分类收集；所述离心筛分装置通过布置自内向外辐射布置的钢辊以转动实现过大颗粒碎石的再加工，以钢辊和筛网实现不同粒径碎石和砂料、土料的筛分，以透水层完成混凝土细骨料和水分的加工和筛分，将筛分好的各部分材料按粗骨料、细骨料、水分别自离心筛分装置输送至智能配料装置；
智能配料装置，对分类的碎石、砂料、土料及水分进行质量和细度配合，加入胶凝材料、辅料、外加剂和激发剂并搅拌混合得到拌和湿料；所述智能配料装置利用圆心距离不同的料筒称重混合，将粗骨料、细骨料、水、胶凝材料、辅料、外加剂和激发剂进行组合设计，搅拌混合得到混凝土拌和湿料；
离心打印装置，对拌和湿料进行泵送挤出，利用离心旋转外筒打印密实成型；所述离心打印装置可沿轴心平移，利用螺旋输送湿料并泵送挤出，将混凝土层叠挤出在旋转且表面凸凹布点的外筒壁上，通过离心作用将增材制造的混凝土密实成型；
智能配筋装置，在离心打印过程中，采用挂壁铺设和定位插筋的方式一体化整体配筋。
2.根据权利要求1所述的掘进式混凝土结构离心智能建造设备，其特征在于，所述推进掘进装置通过刀片切割粉碎岩石并掘进施工，将碎石、砂料、土料及水分利用马达经螺旋输送机传送收集进入离心筛分装置。
3.根据权利要求1所述的掘进式混凝土结构离心智能建造设备，其特征在于，所述智能配筋装置包括采用挂壁铺设的方法将筋材布置在打印混凝土条带层间，采用定位插筋的将筋材布置在打印混凝土条带内部，形成一体化整体配筋混凝土结构。
4.根据权利要求3所述的掘进式混凝土结构离心智能建造设备，其特征在于，所述智能配筋装置利用机械臂对筋材以离心旋转外筒的壁柱面坐标定位铺设。
5.一种权利要求1‑4任一所述的掘进式混凝土结构离心智能建造设备在地下、水下和极端建造环境中的应用。
6.根据权利要求5中所述的掘进式混凝土结构离心智能建造设备在地下、水下和极端建造环境中的应用，其特征在于，所述掘进式混凝土结构离心智能建造设备的应用方法为：第一步：在岩土与地质勘测信息的基础上，以定位系统导引进行工程掘进，推进掘进装置将碎石与砂石、土料收集处理成为混凝土骨料原材料导入离心筛分装置进行加工；
第二步：离心筛分装置将原材料粉碎并离心筛分，区分碎石、砂料、土料和水传送入智能配料装置进行材料制作；
第三步：智能配料装置将混凝土骨料原材料、胶凝材料、辅料、外加剂、激发剂、水按质量、粒径参数配合拌制成为湿态混凝土；
第四步：离心打印装置将湿态混凝土泵送挤出，层叠加工在高速旋转的外筒壁上，利用增材制造和离心成型工艺得到致密高强的混凝土结构物；
第五步：智能配筋装置将筋材按外筒壁坐标定位，铺设在打印层叠混凝土层间，插入在打印混凝土内部，形成空间整体配筋混凝土结构；
第六步：将成型混凝土结构物顶推外送，继续下一工段的结构物打印配筋制作；
一种掘进式混凝土结构离心智能建造设备及应用
技术领域
[0001] 本发明涉及建筑结构，建筑设备，建造施工等技术领域，特别涉及一种掘进式混凝土结构离心智能建造设备及应用。
背景技术
[0002] 3D打印又称增材制造，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印建筑能够有效减少建筑垃圾，提升施工效率，缩短工期，减少人工，提升机械化水平，由计算机控制实现空间任意造型设计，节能减排，改善环境。随着陆地资源的紧缺，对海洋资源的科学开发与利用成为建设行业的未来发展趋势之一。采用3D打印混凝土技术进行地下、水下及极端环境下的结构建造具备广阔的发展前景，现有3D建筑材料非常丰富，CN107603162A、CN107619230A、CN107200536A、CN10 7032669A公布了用于3D打印混凝土材料，种类和强度均有明显提升。本课题组也提出了针对3D打印混凝土进行配筋增强的一系列建造技术CN201811038630.2、CN2019112135591、CN201911000935.9。但现有3D打印混凝土只能针对陆地地上空间结构建造，无法适应深地、深海、深空的智能建造发展需求。
[0003] 与敞开式施工法不同，盾构可以用于地下软土及岩石地层隧道掘进，是一种掘进的同时构建支撑的建造方法。根据工作原理分为手掘式盾构，挤压式盾构，半机械式盾构，机械式盾构，在工程建造领域广泛应用。离心技术是根据颗粒在匀迷圆周运动时受外向离心力发展的分离分析技术，目前在工业和科研领域得到广泛的应用，根据粒子大小、形状不同进行分离的平衡离心法，根据粒子密度差进行分离的等比重离心法，对生物大分子分子量的测定、纯度估计、构象变化的经典式沉降平衡离心法。用于生物、医学、化学等分析分离和纯化样品，离心转速从每分钟几千到几万转以上；用于工业生产，如化工、制药、食品等工业筛分离心转速在每分钟5000转以下。
[0004] 鉴于现有的3D打印及其建造设备技术具有产品适应范围窄，工艺无法适用于面向深海、深地、深空的智能混凝土结构建造需求。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种掘进式混凝土结构离心智能建造设备，该设备可以实现地下、水下和极端建造环境的封闭式增材智能混凝土结构建造，解决了开放式增材制造技术工程应用范围不足的技术困境，形成了新型的封闭掘进式增材智能建造结构技术和硬件系统。
[0006] 本发明提供如下技术方案：
[0007] 一种掘进式混凝土结构离心智能建造设备，所述设备包括：
[0008] 推进掘进装置，对岩石、地基掘进施工，并对碎石、砂料、土料及水分进行收集；
[0009] 离心筛分装置，对收集进入的碎石、砂料、土料及水分进行离心筛分，分类收集；
[0010] 智能配料装置，对分类的碎石、砂料、土料及水分进行质量和细度配合，加入胶凝材料、辅料、外加剂和激发剂并搅拌混合得到拌和湿料；
[0011] 离心打印装置，对拌和湿料进行泵送挤出，利用离心旋转外筒打印密实成型；
[0012] 智能配筋装置，在离心打印过程中，采用挂壁铺设和定位插筋的方式一体化整体配筋。
[0013] 所述推进掘进装置通过刀片切割粉碎岩石并掘进施工，将碎石、砂料、土料及水分利用马达经螺旋输送机传送收集进入离心筛分装置。
[0014] 所述离心筛分装置通过布置自内向外辐射布置的钢辊以转动实现过大颗粒碎石的再加工，以钢辊和筛网实现不同粒径碎石和砂料、土料的筛分，以透水层完成混凝土细骨料和水分的加工和筛分，将筛分好的各部分材料按粗骨料、细骨料、水分别自离心筛分装置输送至智能配料装置。
[0015] 其中，碎石、砂料和土料按粒径、密度筛分并按质量分送至智能配料装置，水分收集输送智能配料装置并排除多余水分。
[0016] 所述智能配料装置利用圆心距离不同的料筒和称重混合，将粗骨料(粒径大于5mm的碎石/砂料)、细骨料(粒径在0.16‑5mm的碎石/砂料/土料)、水、胶凝材料、辅料、外加剂和激发剂进行组合设计，搅拌混合得到混凝土拌和湿料。
[0017] 所述离心打印装置可沿轴心平移，利用螺旋输送湿料并泵送挤出，将混凝土层叠挤出在旋转且表面凸凹布点的外筒壁上，通过离心作用将增材制造的混凝土密实成型。
[0018] 所述智能配筋装置包括采用挂壁铺设的方法将筋材布置在打印混凝土条带层间，采用定位插筋的将筋材布置在打印混凝土条带内部，形成一体化整体配筋混凝土结构。
[0019] 所述智能配筋装置利用机械臂对筋材以离心旋转外筒的壁柱面坐标定位铺设。
[0020] 本发明还提供了上述掘进式混凝土结构离心智能建造设备在地下(包括岩石和岩土)、水下(包括淡水与海水)和极端建造环境(月球环境、火星环境、极地环境、核爆环境等)中的应用。
[0021] 本发明提供的掘进式混凝土结构离心智能建造设备还包括动力系统和控制系统：动力系统为整个智能建造设备提供掘进、离心、搅拌所需的动力；控制系统为离心分料、智能配料和打印配筋进行编程控制智能管理。
[0022] 本发明提供的掘进式混凝土结构离心智能建造设备适用工程材料为水泥基混凝土材料，包括硅酸盐水泥熟料，硫铝酸盐水泥熟料，砂石料，辅料，加剂和激发剂等；增强筋材，包括钢筋、纤维聚合物筋，复合筋等。具有机械化数字化智能化的建造特点，保障水下、地下和极端环境下安全可靠施工建造。
[0023] 一种掘进式混凝土结构离心智能建造设备开展水下、地下和极端环境下安全可靠混凝土结构智能建造，该方法的步骤如下：
[0024] 第一步：在岩土与地质勘测信息的基础上，以定位系统导引进行工程掘进，推进掘进装置将碎石与砂石、土料收集处理成为混凝土骨料原材料导入离心筛分装置进行加工；
[0025] 第二步：离心筛分装置将原材料粉碎并离心筛分，区分碎石、砂料、土料和水传送入混凝土配料系统(智能配料装置)进行材料制作；
[0026] 第三步：智能配料装置将原材料、胶凝材料、辅料、外加剂、激发剂、水等按质量、粒径等参数配合拌制成为湿态混凝土；
[0027] 第四步：离心打印装置将湿态混凝土泵送挤出，层叠加工在高速旋转的外筒壁上，利用增材制造和离心成型工艺得到致密高强的混凝土结构物；
[0028] 第五步：智能配筋装置将筋材按外筒壁坐标定位，铺设在打印层叠混凝土层间，插入在打印混凝土内部，形成空间整体配筋混凝土结构；
[0029] 第六步：将成型混凝土结构物顶推外送，继续下一工段的结构物打印配筋制作；
[0030] 第七步：重复上述步骤，直至结构物建造完成。
[0031] 本发明通过整合增材制造技术和离心筛分技术、掘进盾构技术，针对打印工艺、离心成型和建造配筋，提出掘进盾构后离心筛分、智能配置混凝土增材制造打印基体的同时进行配筋增强的一体化智能建造技术及设备实现方案，解决我国土木工程技术领域智能制造的装备技术缺陷，为一体化地下、水下和太空工程建筑智能增材建造技术提供硬件基础。
[0032] 本发明由于采用以上技术方案，使其具有以下有益效果：
[0033] 1.本发明采用掘进式施工，可在地下，水下和极端环境下形成封闭的施工建造环境，保障恶劣、不适宜人力施工环境下的数字化智能化工程建造，突破现有混凝土结构增材智能建造智能在开放空间下作业的技术局限；
[0034] 2.本发明利用掘进旋转马达，设计带动离心筛分装置进行粉碎石料、砂料、土料的筛分和水分的收集，与智能称重配置系统整合完成混凝土原料的智能加工制备；
[0035] 3.本发明利用增材制造技术与密实度，大幅度提升了地下、水下和恶劣环境下的混凝土打印制作质量，改善了离心成型工艺组合，利用层叠成型实现混凝土的免模施工，利用离心成型提升混凝土的强度和智能建造工艺和适用范围；
[0036] 4.本发明利用智能配筋技术，实现离心打印与整体配筋的增材智能建造混凝土结构成型，突破了水下、地下和恶劣环境下工程建造的技术智库，对增材智能建造混凝土形成一体化配筋增强，保障结构安全性；
[0037] 5.本发明利用顶推节段建造方法，掘进、筛分、配置、打印和配筋分段建造，通过层间拉筋形成整体结构，保障建造结构的整体性和服役可靠性。
附图说明
[0038] 图1为一种掘进式混凝土结构离心智能建造设备；
[0039] 图2为离心筛分装置详细构造；
[0040] 图3为配料装置详细构造；
[0041] 图4为智能配筋装置详细构造。
具体实施方式
[0042] 下面结合实施例进一步解释本发明，这些实施例仅用于说明，并不以此来限定对本发明权利要求保护的范围。
[0043] 如图1所示，本发明的掘进式混凝土结构离心智能建造设备包括：
[0044] 推进掘进装置1，驱动装置2，离心筛分装置3，智能配料装置4，离心打印装置5，智能配筋装置6，可实现水下、地下及极端环境下施工时的挖掘和水分、岩石和土料的收集和粉碎，离心筛分、配料和增材制造，离心成型并一体化配筋，形成新型掘进式离心增材智能建造成型形式及硬件设备。
[0045] 如图2所示，掘进推进装置1可实现岩石与泥土的穿透、粉碎和收集功能，使用高速旋转的刀片切割粉碎岩石并掘进施工，将碎石、砂料、土料和水分利用高速旋转的马达经螺旋输送机7传送收集进入内部离心筛分装置3。所述离心筛分装置3通过布置自内向外辐射布置的钢辊9，以转动实现过大颗粒碎石的再加工，以离心旋转马达8、钢辊9和筛网10实现不同粒径碎石和砂料、土料的筛分，以透水层11完成混凝土细骨料和水分的加工和筛分，将筛分好的各部分材料按粗骨料、细骨料、水分别自分料管道12输送至智能配料装置4。
[0046] 如图3所示，离心筛分装置3离心筛分后，粗骨料17(粒径大于5mm的碎石/砂料)、16细骨料(粒径在0.16‑mm的碎石/砂料/土料)利用圆心距不同的料筒分类收集于智能配料装置4。智能配料装置4通过称重混合，利用圆心距离不同的料筒和称重混合，实现水13、掺合料14(外加剂、激发剂等)、胶凝材料15、细骨料16、粗骨料17等配合物的组合设计，并拌制成混凝土拌和湿料。
[0047] 如图4所示，离心打印装置5可沿轴心平移，利用螺旋输送21将混凝土拌和湿料通过出料口18泵送挤出，混凝土层叠挤出在高速旋转的外筒壁上，通过离心作用将增材制造的混凝土密实成型。智能配筋装置6利用机械臂19对预制筋材20以外筒壁柱面坐标定位铺设，与层叠成型的混凝土一体化成型，通过层间插筋形成整体配筋的打印混凝土增强柱壳结构。如需其他结构形式，只需在外筒内壁设置相应形状的底模即可。
[0048] 上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡是依据本发明的技术和方法实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术和方法方案的范围内。
